Галактыка NGC 7331 і меншыя, больш далёкія галактыкі за ёй. Чым далей мы глядзім, тым далей мы бачым час. Мы ў рэшце рэшт дасягнем такой кропкі, калі галактыкі наогул не сфармаваліся, калі вернемся дастаткова далёка. Крэдыт малюнка: Адам Блок / Mount Lemmon SkyCenter / Універсітэт Арызоны.

Першыя галактыкі: што мы ведаем і што яшчэ трэба вывучыць

Па-сапраўднаму мы яшчэ не знайшлі «першых», але мы не проста на шляху; мы амаль там.

"Упершыню можна даведацца пра асобныя зоркі з самага пачатку часу. Вядома, ёсць яшчэ шмат. " -Ніл Герэлс

Калі вы думаеце пра галактыку, вы думаеце пра нешта накшталт Млечнага Шляху: сотні мільярдаў зорак, вялікія спіральныя рукі, загружаныя газам і пылам, і гатовыя ўтварыць зоркі наступнага пакалення. Такі бегемот аказвае вялікую гравітацыйную цягу, дзейнічаючы на ​​ўсё астатняе побач. І вы даведаецеся гэтую галактыку здалёку, калі з яе пацячэ зорнае святло, якое бесперашкодна падарожнічае праз празрысты Сусвет. Але паколькі тое, што мы ведаем як наша Сусвет, пачалося з Вялікага выбуху каля 13,8 мільярда гадоў таму, мы ведаем, што галактыкі не заўсёды былі такімі. На самай справе, калі азірнуцца дастаткова далёка, мы можам убачыць, што адрозненні пачынаюць з'яўляцца.

Галактыкі падобныя на Млечны Шлях, як яны былі ў больш раннія часы ў Сусвеце. Малюнак: НАСА, ЕКА, П. ван Докум (Ельскі ўніверсітэт), С. Патэль (Універсітэт Лейдэна) і каманда 3D-HST.

У мінулым галактыкі былі іншымі, чым галактыкі, якія мы бачым сёння. У дэталях, чым далей мы глядзім у часе, мы бачым галактыкі, якія:

  • Маладзей, пра што сведчыць рост маладых зорак,
  • Блажэй, бо самыя сінія зоркі паміраюць хутчэй,
  • Меншыя, таму што галактыкі зліваюцца разам і прыцягваюць больш матэрыі з цягам часу
  • Менш спіральныя, таму што мы бачым толькі самыя яркія часткі самых актыўных, зоркаобразных галактык.

У той час як галактыкі па сутнасці сінія, калі мы паглядзім на іх праз свае аптычныя тэлескопы, яны на самой справе становяцца чырвонымі, і гэта рэальны эфект.

Найменшыя, слабыя, самыя далёкія галактыкі выглядаюць чырвонымі. Не таму, што яны чырвоныя, а з-за пашырэння Сусвету. Крэдыт малюнка: NASA, ESA, R. Bouwens і G. Illingworth (UC, Santa Cruz).

Паколькі Сусвет пашыраецца, святло ад далёкіх галактык - хаця і вельмі блакітнае (і нават ультрафіялетавае), калі ствараецца, - расцягваецца тканінай касмічнага часу. Па меры таго, як даўжыня хвалі святла расцягваецца, яна становіцца чырваней, менш энергічнай і цяжэй бачыць. Аднак, калі мы будуем тэлескопы, асабліва ў космасе, здольныя бачыць у інфрачырвонай частцы спектру, усё больш інфармацыі пра гэтыя галактыкі раскрываецца. Лепшыя дадзеныя паходзяць з касмічных тэлескопаў Хабл і Шпіцэр і могуць распавесці, што адбываецца на працягу ўсёй гісторыі Сусвету.

Самая далёкая галактыка, вядомая на сённяшні дзень, што пацвердзіла Хаббл, спектраскапічна, пачынаючы з тых часоў, калі Сусвету было ўсяго 407 мільёнаў гадоў. Малюнкі: NASA, ESA і A. Feild (STScI).

Калі мы глядзім далей у мінулае, мы выяўляем, што больш маладыя галактыкі ўтвараюць зоркі больш хуткімі тэмпамі, чым сёння. Мы можам вымераць хуткасць утварэння зорак і выявіць, што ў больш раннія і больш раннія часы гэта было больш інтэнсіўна. Але тады мы знаходзім свой пік, калі Сусвету каля двух мільярдаў гадоў. Ідзіце маладзей за гэта, і стаўка зноў паніжаецца.

Ілюстрацыя CR7, першай выяўленай галактыкі, якая, як мяркуюць, размяшчае зорак Насельніцтва III: першыя зоркі, якія ўтварыліся ва Сусвеце. Гэта да піка ўтварэння зорак. Малюнак: ESO / M. Карнмессер.

Мы ведаем, што Сусвет павінна нарадзіцца без зорак і галактык, і там павінна была быць "першая зорка" і "першая галактыка" дзесьці ў мінулым. Мы яшчэ гэтага не бачым; Хабл і Шпіцэр недастаткова магутныя, каб зрабіць гэта. Але калі мы паглядзім так далёка, як мы бачым, вось што мы знаходзім, ідзем назад:

  • Раней, чым ва ўзросце 2 мільярдаў гадоў, зорнае ўтварэнне падае з пастаяннай хуткасцю.
  • Да 600 мільёнаў гадоў (0,6 мільярда гадоў) хуткасць фарміравання зорак знізілася яшчэ хутчэй; адбыўся вельмі хуткі рост у гэтыя крытычныя некалькі сотняў мільёнаў гадоў.
  • Самая маладая галактыка, якую мы калі-небудзь бачылі, Gz-11, паходзіць з таго часу, калі Сусвету было 400 мільёнаў гадоў. Да гэтага былі зоркі і галактыкі.
  • І на ўсім шляху, калі Сусвету было 380 000 гадоў, у ёй дакладна не было ні зорак, ні галактык, і гэта была веха, у якой упершыню ўтварыліся стабільныя, нейтральныя атамы.
Схема рэабілітацыі ў раннім Сусвеце: калі ўтварыліся першыя зоркі і галактыкі. Малюнак: НАСА / WMAP навуковая каманда.

Але ёсць цікавая загадка, калі Сусвет упершыню запоўнены нейтральнымі атамамі: гэтыя атамы паглынаюць бачнае святло. Гэта значыць, што Сусвет не была празрыстай, як сёння, але непразрыстая. Калі ўтвараюцца першыя зоркі, мы не можам бачыць іх зорнае святло так, як мы бачым зорнае святло сёння. Замест гэтага нам трэба зрабіць дзве рэчы:

  1. Трэба шукаць сігналы рэіёнізацыі, дзе ўльтрафіялетавае выпраменьванне першых зорак і галактык выцякае з гэтых атамаў электроны, робячы Сусвет празрыстым для зорнага святла.
  2. І трэба шукаць у даўжыні хвалі электрамагнітнага спектру, бо нейтральныя атамы цяжэй паглынаюць святло большай даўжыні хвалі.

Калі мы зможам зрабіць гэтыя назіранні, мы даведаемся не толькі пра тое, як утвараліся першыя зоркі і галактыкі, але і як яны прымусілі Сусвет сабрацца ў гіганцкія галактычныя структуры і надбудовы, якія мы бачым сёння.

Сабраныя намі зорныя дадзеныя вельмі ўважліва адлюстроўваюць праведзеныя намі рэінізацыйныя вымярэнні, што выдатна. Рэанізацыя, падобна, пачынаецца, калі Сусвету каля 400–450 мільёнаў гадоў, адбываецца вялікае паскарэнне, калі Сусвету каля 600–650 мільёнаў гадоў, і завершана па часе Сусвету каля 900–950 мільёнаў гадоў. Міжгалактычная серада паводзіць сябе паслядоўна з тым, што мы бачым для галактык.

Гэты рэгіён з глыбокім полем СТАЛІ-Паўднёвы ўтрымлівае 18 галактык, якія ўтвараюць зоркі так хутка, што колькасць зорак унутры падвоіцца ўсяго за 10 мільёнаў гадоў: усяго 0,1% ад жыцця Сусвету. Крэдыты: НАСА, ЭКА, А. ван дэр Вель (Інстытут астраноміі Макса Планка), Х. Фергюсан і А. Кёкемуер (Інстытут касмічнага тэлескопа) і каманда CANDELS.

Самы вялікі ўрок з усяго гэтага - гэта тое, што галактыкі - і ў прыватнасці нядаўна ўтвараючыя зоркі галактыкі - з'яўляюцца кампанентамі Сусвету, адказнымі за рэіянізацыю. За наступнае дзесяцігоддзе з'явяцца два неверагодныя поспехі, якія дазволяць нам зразумець гэтыя самыя раннія этапы зорнага святла ў Сусвеце раз і назаўсёды: касмічны тэлескоп Джэймса Уэбба і WFIRST.

Памеры люстэркаў Хабла і Джэймса Уэбба, а таксама адчувальнасць Джэймса Уэбба (устаўка) у параўнанні з іншымі вялікімі абсерваторыямі. Крэдыт малюнка: каманда NASA / JWST, праз http://jwst.nasa.gov/comppare.html (асноўная); НАСА / JWST навуковая каманда (пачатак).

Гледзячы далей і глыбей інфрачырвоны, чым любы тэлескоп да яго, Джэймс Уэбб зможа ўбачыць галактыкі ў той перыяд, калі Сусвету было ўсяго 250 мільёнаў гадоў. Гэта, верагодна, будзе ўключаць у сябе першыя прамыя назіранні за некранутымі зоркамі і малюсенькімі галактыкамі, калекцыі якіх могуць быць не больш чым некалькімі зоратворнымі рэгіёнамі, якія зліваюцца разам. Гэта павінна быць у стане даказаць, што менавіта галактыкі, а не ізаляванае зорнае ўтварэнне, адказваюць за рэінізацыю Сусвету.

Канцэптуальны здымак спадарожніка НАСА WFIRST, які павінен быў запусціцца ў 2024 годзе і дасць нам самыя дакладныя вымярэнні цёмнай энергіі, сярод іншых неверагодных касмічных знаходак. Малюнак: НАСА / GSFC / Канцэптуальная лабараторыя малюнкаў.

Але калі першыя галактыкі ўтвараюцца яшчэ раней, Джэймс Уэбб сутыкнецца з абмежаваннямі, і ўсё, што мы зможам зрабіць, гэта зрабіць высновы для сапраўды першых крыніц зорнага святла. Яшчэ адзін велізарны прагрэс атрымаецца ад WFIRST, сапраўднага пераемніка НАСА на Hubble, які запускаецца ў 2024 годзе. WFIRST будзе мець такую ​​ж магчымасць бачыць глыбока ў бачнай і бліжэйшай да інфрачырвонай частцы спектра, але ў сто разоў поле зроку Хабла. З дапамогай WFIRST мы зможам вымераць фарміраванне зорак і рэіянізацыю па ўсёй Сусвеце. Нарэшце 'мы, нарэшце, даведаемся, як Сусвет перайшла ад зорак ці галактык да першых і ператварылася ў багатую, прыгожую, але ультра-далёкую Сусвет, якую мы насяляем сёння!

Гэтая публікацыя ўпершыню з'явілася ў Forbes і прадастаўляецца вам прыхільнікамі Patreon без рэкламы. Каментуйце наш форум і купіце нашу першую кнігу: Beyond The Galaxy!