Астрономы разрабатывают новый высокочувствительный инструмент, способный обнаруживать чрезвычайно слабые галактики, существовавшие вскоре после Большого взрыва. Ученые считают, что именно такие объекты могут помочь объяснить один из важнейших этапов эволюции космоса — эпоху реионизации, когда ранняя Вселенная впервые стала прозрачной для света.
Исследование связано с созданием прибора для Extremely Large Telescope — гигантского наземного телескопа Европейской южной обсерватории, который строится в пустыне Атакама в Чили.
Будущий инструмент должен помочь астрономам увидеть галактики, которые сегодня находятся на границе возможностей даже самых мощных обсерваторий.
Ученые пытаются понять, как Вселенная вышла из «темных веков»
После Большого взрыва Вселенная выглядела совсем иначе, чем сегодня.
Сначала существовала чрезвычайно горячая плазма. Затем, примерно через 380 тысяч лет после рождения космоса, Вселенная достаточно остыла, чтобы электроны и протоны начали объединяться в атомы водорода.
После этого космос оказался заполнен нейтральным водородом.
Свет мог распространяться свободно, но звезд и галактик еще почти не существовало.
Этот период получил название «космические темные века».
Первые звезды изменили структуру Вселенной
Со временем гравитация начала собирать вещество в плотные области.
Так появились первые звезды и галактики.
Их ультрафиолетовое излучение постепенно стало разрушать нейтральный водород, разделяя атомы на электроны и протоны.
Этот процесс называется реионизацией.
Именно он сделал Вселенную прозрачной для света в современном виде.
Эпоха реионизации остается одной из главных загадок космологии
Астрономы до сих пор не знают точно:
- какие объекты обеспечили реионизацию;
- сколько времени длился процесс;
- насколько быстро формировались первые галактики;
- как выглядела ранняя космическая структура.
(nasa.gov)
Одной из главных гипотез считается участие огромного количества очень слабых и небольших галактик.
Проблема заключается в том, что такие объекты крайне трудно наблюдать.
Самые важные галактики могут быть почти невидимыми
Современные телескопы хорошо видят яркие и массивные ранние галактики.
Однако космологические модели показывают, что основную роль в реионизации могли играть именно многочисленные тусклые объекты.
Каждая отдельная галактика излучала относительно мало света, но вместе они могли обеспечить достаточное количество ультрафиолетового излучения для изменения состояния всей Вселенной.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученым необходимо увидеть максимально слабые объекты раннего космоса.
Новый инструмент создается для Extremely Large Telescope
Центральную роль в проекте играет Extremely Large Telescope — будущий крупнейший оптический телескоп мира.
Диаметр его главного зеркала составит 39 метров.
Для сравнения:
- зеркало телескопа Hubble имеет диаметр 2,4 метра;
- у James Webb — 6,5 метра.
Огромная площадь зеркала позволит собирать значительно больше света от далеких объектов.
Телескоп строится в экстремальных условиях пустыни Атакама
ELT возводится на горе Серро-Армасонес в Чили.
Этот регион считается одним из лучших мест на Земле для астрономии благодаря:
- чрезвычайно сухому воздуху;
- минимальной облачности;
- высокой прозрачности атмосферы;
- удаленности от крупных городов.
Высота площадки превышает 3000 метров над уровнем моря.
Новый прибор будет работать в ближнем инфракрасном диапазоне
Разрабатываемый инструмент предназначен для наблюдения очень далеких галактик.
Из-за расширения Вселенной их свет сильно смещается в инфракрасную область спектра. (nasa.gov)
Именно поэтому современные исследования раннего космоса во многом зависят от инфракрасной астрономии.
Прибор позволит:
- фиксировать слабые сигналы;
- разделять свет по спектрам;
- измерять расстояния до галактик;
- определять химический состав объектов.
Почему спектроскопия настолько важна
Астрономические изображения показывают форму и яркость объектов, но именно спектроскопия позволяет получать основную научную информацию.
По спектрам ученые могут определить:
- скорость движения галактики;
- возраст звезд;
- температуру газа;
- наличие химических элементов;
- скорость звездообразования.
Для ранней Вселенной это особенно важно, поскольку позволяет изучать физику первых поколений галактик.
James Webb уже изменил представления о раннем космосе
До запуска James Webb Space Telescope астрономы предполагали, что ранние галактики были небольшими и развивались относительно медленно.
Однако Webb обнаружил:
- массивные галактики в очень молодой Вселенной;
- неожиданно активное звездообразование;
- ранние черные дыры;
- сложные структуры уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
Эти открытия поставили перед космологами новые вопросы.
Наземные телескопы остаются критически важными
Несмотря на успехи космических обсерваторий, крупнейшие наземные телескопы продолжают играть огромную роль.
Их преимущества:
- гигантские зеркала;
- возможность модернизации;
- высокая светосила;
- гибкость приборов.
Современные системы адаптивной оптики позволяют частично компенсировать атмосферные искажения и получать изображения, сопоставимые по качеству с космическими аппаратами.
Адаптивная оптика фактически «исправляет» атмосферу
Земная атмосфера размывает изображения звезд.
Именно из-за этого звезды мерцают на ночном небе.
Для решения проблемы используются системы адаптивной оптики.
Они работают следующим образом:
- Лазеры создают искусственные «опорные звезды».
- Система измеряет атмосферные искажения.
- Компьютер мгновенно рассчитывает коррекцию.
- Деформируемые зеркала меняют форму сотни раз в секунду.
Это позволяет получать чрезвычайно четкие изображения.
Тусклые галактики могут оказаться самыми многочисленными
Согласно современным моделям, ранняя Вселенная содержала огромное количество маленьких галактик.
Большинство из них:
- имели небольшую массу;
- быстро формировали звезды;
- были богаты горячим газом;
- излучали сильное ультрафиолетовое излучение.
Но из-за расстояния и слабой яркости их крайне трудно наблюдать напрямую.
Свет ранних галактик путешествует миллиарды лет
Когда астрономы изучают раннюю Вселенную, они фактически смотрят в прошлое.
Свет некоторых галактик идет к Земле более 13 миллиардов лет.
Это означает, что телескопы показывают объекты такими, какими они были вскоре после рождения космоса.
Поэтому исследования ранних галактик являются своеобразной археологией Вселенной.
Космическое расширение усложняет наблюдения
Чем дальше находится объект, тем сильнее растягивается его свет.
Это явление называется красным смещением.
1 + z = λobs / λemit
Из-за этого ультрафиолетовый свет первых галактик смещается в инфракрасный диапазон.
Именно поэтому Webb и будущие инструменты ELT ориентированы на инфракрасные наблюдения.
Ранние галактики были очень необычными
Современные галактики относительно стабильны, но ранняя Вселенная выглядела значительно более хаотичной.
Первые галактики:
- активно сталкивались;
- быстро росли;
- содержали огромное количество газа;
- формировали звезды с высокой скоростью.
Изучение таких объектов помогает понять происхождение современных спиральных и эллиптических галактик.
Космология входит в эпоху сверхточных наблюдений
Еще несколько десятилетий назад ученые могли лишь теоретически обсуждать первые эпохи истории Вселенной.
Сегодня ситуация изменилась благодаря:
- Webb;
- ALMA;
- Very Large Telescope;
- будущему ELT;
- радиотелескопам нового поколения.
Новые инструменты позволяют напрямую наблюдать процессы, происходившие через сотни миллионов лет после Большого взрыва.
Ранние галактики связаны с происхождением химических элементов
Первые поколения звезд играли критическую роль в химической эволюции Вселенной.
Именно они начали синтезировать:
- углерод;
- кислород;
- кремний;
- железо;
- кальций.
После взрывов сверхновых эти элементы распространялись по космосу и становились материалом для следующих поколений звезд и планет.
Исследование раннего космоса помогает понять происхождение жизни
Без первых звезд и галактик не существовало бы тяжелых элементов, необходимых для формирования:
- каменистых планет;
- атмосферы;
- воды;
- органической химии;
- живых организмов.
Поэтому исследования эпохи реионизации напрямую связаны с вопросом происхождения условий для жизни во Вселенной.
Новый прибор может изменить космологию
Авторы проекта считают, что будущий инструмент позволит значительно лучше понять:
- количество ранних галактик;
- структуру молодой Вселенной;
- процессы звездообразования;
- механизмы реионизации;
- эволюцию первых космических структур.
Если ученым удастся обнаружить огромную популяцию слабых галактик, это подтвердит одну из главных современных гипотез о происхождении прозрачной Вселенной.
В ближайшие годы сочетание возможностей James Webb и Extremely Large Telescope может впервые позволить астрономам подробно исследовать эпоху, когда во Вселенной зажглись первые звезды и начали формироваться первые галактики.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
