Принципиальная схема истории Вселенной, подчеркивающая реионизацию, которая происходит всерьез только после образования первых звезд и галактик. До образования звезд или галактик Вселенная была полна блокирующих свет нейтральных атомов. В то время как большая часть Вселенной не реионизируется до 550 миллионов лет после этого, несколько удачных регионов в основном реионизируются в более ранние времена. Фото предоставлено С.Г.Джорговским и др., Caltech Digital Media Center.

5 удивительных фактов о первых галактиках во Вселенной

Хотя мы их никогда не видели, вот что мы уже знаем.

«Внезапно открываются совершенно новые программы, вещи, которые вы можете сделать, чего раньше никогда не делали. Это было бы здорово с научной точки зрения, это было бы здорово для нации, для педагогов, для студентов, и это было бы просто здорово для широкой общественности ». -Гарт Иллингворт

Одним из самых замечательных фактов о нашей Вселенной является то, что она существует не вечно. Сгустки и скопления материи, которые мы видим - планеты, звезды, газовые облака, галактики и многое другое - выросли из более мелких частиц, которые со временем гравитационно выросли и слились. Если мы смотрим на объекты на все больших и больших расстояниях, свет от них занимает больше времени, чтобы достичь наших глаз, а это означает, что свет, приходящий сегодня, излучался миллионы или даже миллиарды лет назад. Когда мы оглядываемся назад в пространство, мы также оглядываемся назад во времени. В какой-то момент мы достигнем такого большого расстояния, что тогда не было ни звезд, ни галактик. Хотя для просмотра этих самых первых галактик потребуется космический телескоп Джеймса Вебба, мы уже знаем, что существует пять удивительных фактов об этих самых отдаленных объектах.

Протопланетные диски, которые, как считается, образуют все солнечные системы, со временем объединятся в планеты, как показано на этой иллюстрации. Однако, когда Вселенная состоит только из водорода и гелия, могут образовываться только газообразные планеты, а не каменистые. Изображение предоставлено NAOJ.

1.) Среди самых первых звезд и галактик нет каменистых планет. Всякий раз, когда вы формируете звезды из молекулярного облака газа, вы можете полностью ожидать, что этот газ распадется на целое множество комков, которые растут с различными скоростями в зависимости от того, насколько они велики, и что еще находится в их окрестностях. В больших газовых облаках будут расти звезды и планеты разных размеров, но даже самые маленькие миры, которые первыми образуются, будут состоять исключительно из газа: водорода и гелия. Без каких-либо предыдущих поколений звезд нет более тяжелых элементов, образующих твердые тела, такие как скалистые планеты или луны. Могут образовываться маленькие газовые шарики, но когда эти звезды загорятся, они просто сгорят в межзвездном пространстве под действием ионизирующего излучения тех первых ядерных пожаров во Вселенной.

Галактик, сравнимых с современным Млечным путем, много, но более молодые галактики, подобные Млечному пути, по своей природе меньше, голубее и богаче газом, чем галактики, которые мы видим сегодня. Для первых галактик это дошло до крайности. Изображение предоставлено NASA и ESA.

2.) Самые ранние галактики крошечные по сравнению с теми, которые мы имеем сегодня. Когда образуются первые нейтральные атомы во Вселенной, они уже очень слабо объединяются в области повышенной и недостаточной плотности определенного размера. Содержащие от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов солнечных масс, они образуют семена первых звездных скоплений. В течение, возможно, от 50 до 200 миллионов лет гравитация заставляет эти первые газовые облака разрушаться и формировать самые первые звезды. Когда звездные скопления начинают гравитационно сливаться вместе, происходит быстрое звездообразование, и в этот момент мы можем начать говорить, что мы сформировали первые галактики Вселенной. Несмотря на то, что они могут составлять лишь крошечную долю массы Млечного Пути, возможно, на 0,001% больше нашей массы, на самом деле это галактики, содержащие звезды, звездные скопления, планеты, газ, пыль и даже ореолы темной материи.

Hubble eXtreme Deep Field, наш самый глубокий взгляд на Вселенную на сегодняшний день, который показывает галактики, когда Вселенная составляла всего 3–4% от ее нынешнего возраста. Это, однако, абсолютный предел того, как далеко может зайти Хаббл; большее время наблюдения покажет слабые галактики, но не более отдаленные. Изображение предоставлено: НАСА; ESA; Дж. Иллингворт, Д. Маги и П. Ош, Университет Калифорнии, Санта-Круз; Р. Бувенс, Лейденский университет; и команда HUDF09.

3.) Даже если Хаббл будет смотреть на далекую Вселенную вечно, он никогда не увидит эти первые галактики. Свет, который излучают эти галактики, должен быть похож на свет, излучаемый недавно образовавшимися звездообразными галактиками. Когда галактика впервые формируется, она должна быть полна горячих, ярких, недолговечных голубых звезд, которые доминируют в светимости всех остальных. Но в отличие от близлежащих галактик, свет этих самых ранних требует огромного космического путешествия, которое, по нашему мнению, занимает более 13 миллиардов лет, чтобы достичь наших глаз. В течение этого времени Вселенная расширяется, вызывая красное смещение длины волны этого первоначально ультрафиолетового света через видимое, ближнее инфракрасное излучение и в среднюю инфракрасную часть спектра. Даже если Хаббл, который может видеть свет довольно далеко в ближнем инфракрасном диапазоне, будет смотреть на небо вечно, он никогда не сможет обнаружить галактики с красным смещением 15-25, где, как ожидается, будут лежать первые. Для этого нам нужен Джеймс Уэбб.

Кластер RMC 136 (R136) в туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке является домом для самых массивных известных звезд. R136a1, самый большой из них, в 250 раз больше массы Солнца. Изображение предоставлено: Европейская Южная Обсерватория / P. Crowther / CJ Эванс.

4.) Самые массивные звезды во Вселенной существовали только в эти самые ранние времена. Сегодня, если мы посмотрим глубоко в сверхмассивную область звездообразования, мы ожидаем найти самые яркие, самые яркие и самые массивные звезды из всех. Самая большая в нашей локальной группе, туманность Тарантул (вверху) в спутниковой галактике Млечного Пути, содержит материал на многие сотни тысяч солнечных масс вместе с самой массивной из известных звезд: R136a1. Приблизительно в 260 раз больше массы нашего Солнца, это самая массивная звезда из когда-либо обнаруженных. Но он также загружен элементами, поднимающимися высоко над периодической таблицей, подобно нашему собственному Солнцу, которое подавляет первоначальный рост массивных звезд. Поскольку они были сделаны только из чистого водорода и гелия, самым первым звездам не хватало такого подавления, и они могли расти до еще больших масс. Насколько они большие? В 500 раз массивнее Солнца? 1000 раз? 2000 раз? Если повезет, Джеймс Уэбб научит нас ответу.

Поглощение света миллиметровой длины волны, испускаемого электронами, свистящими вокруг мощных магнитных полей, создаваемых сверхмассивной черной дырой галактики, приводит к темному пятну в центре этой галактики. Тень указывает на то, что холодные облака молекулярного газа падают на черную дыру. Такие сверхмассивные черные дыры или, по крайней мере, их семена должны быть найдены в самых первых галактиках Вселенной. Изображение предоставлено: NASA / ESA & Hubble (синий), ALMA (красный).

5.) Первые сверхмассивные черные дыры должны появиться внутри этих первых галактик почти с момента их рождения. Как ни парадоксально, чем массивнее звезда, тем короче будет ее продолжительность жизни. Самые массивные звезды из всех живут всего за несколько миллионов лет до того, как они станут сверхновыми или прямо упадут; в любом случае они производят массивные черные дыры. Эти черные дыры быстро мигрируют в центр галактик, где они сливаются воедино и накапливают материю, становясь семенами сверхмассивных черных дыр, которые мы видим сегодня. Эти самые ранние галактики, даже когда они впервые становятся видимыми, могут содержать черные дыры, которые во много сотен тысяч или даже миллионов раз массивнее нашего Солнца, сравнимо с массой в четыре миллиона солнечных, существующей в центре Млечного Пути. Эти объекты должны быть там, и Джеймс Уэбб просто может показать нам, насколько они действительно массивны.

Крупномасштабная структура Вселенной меняется со временем, так как крошечные несовершенства растут, образуя первые звезды и галактики, а затем объединяются, образуя большие современные галактики, которые мы видим сегодня. Взгляд на большие расстояния показывает более молодую Вселенную, подобную тому, как был наш местный регион в прошлом. Изображение предоставлено: Крис Блейк и Сэм Мурфилд.

Заметьте, эти ультра-далекие, ультра-молодые и ультра-крошечные галактики не будут такими долго. Когда-то давным-давно каждая близлежащая галактика, которую мы видим сегодня, не отличалась от тех самых первых, которые мы обнаружим, начиная чуть более года, когда Джеймс Уэбб запускает и развертывает. Первые, кто сформировался, гравитационно выросли быстрее всего, и к тому времени, когда им исполнится 13,8 миллиардов лет, они будут привлекать все больше и больше материи, и сами они, вероятно, будут гигантскими спиралями или эллиптиками в своих собственных группах и скоплениях, гораздо как мы. Но в настоящее время мы не можем узнать, каким было прошлое нашего Млечного Пути в каких-либо деталях. В конце концов, великое преступление Вселенной состоит в том, что мы можем видеть это только сегодня, в один конкретный момент времени. Несмотря на всю космическую историю произошедшего, когда дело доходит до того, где мы находимся сейчас, единственное, что мы знаем, это выжившие.

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трэкология»: «Наука звездного пути от трикодеров до варп-драйва».