Галактики вселенная: Современное понятие о Вселенной — урок. География, 5 класс.

Первые галактики — Вселенная бесконечна

«Галактика-телескоп» помогла астрономам заглянуть в младенческие годы Вселенной

19 мая 2022
16:43

Ольга Мурая

Иллюстрация, помогающая понять принцип гравитационного линзирования.

Иллюстрация Adam Makarenko/W. M. Keck Observatory.

Правильная комбинация инструментов и капелька везения — и учёные смогли впервые с беспрецедентной точность «разглядеть» места, где формировались первые звёзды и галактики во Вселенной.

Уникальная комбинация инструментов дала исследователям возможность заглянуть в «галактические ясли» в сердце молодой Вселенной. Не обошлось без небольшой помощи самой матери-природы.

После Большого взрыва, который по расчётам учёных произошёл около 13,8 миллиардов лет назад, ранняя Вселенная была заполнена огромными облаками нейтрального и очень не плотного газа. Газ медленно конденсировался внутри них, постепенно формируя первые звёзды и галактики.

Учёным было бы бесконечно интересно «подсмотреть» за этими процессами. Шутка ли, увидеть рождение самых первых объектов во Вселенной!

Исследователи называют облака, из которых родились первые звёзды и галактики, затухающие Лайман-альфа системы (ЗЛС).

Излучение, испущенное миллиарды лет назад этими «галактическими яслями», всё ещё можно наблюдать сегодня, но это непросто. Облака были слишком рассеяны и не излучали никаких волн, которые могли бы засечь существующие обсерватории.

Поэтому для их обнаружения астрофизики обычно используют квазары — активные галактические ядра, одни из самых ярких источников видимого излучения во Вселенной — в качестве «прожекторов» для обнаружения облаков ЗЛС.

Хотя этот метод позволяет исследователям точно определять местонахождение ЗЛС, свет от квазаров не позволяет измерить общий размер и массу таких облаков. Он просто пронизывает их, подобно межзвёздному шампуру.

Но астрофизики нашли способ обойти эту проблему. Они использовали галактику в качестве гравитационной линзы и спектроскопию интегрального поля для наблюдения за двумя ЗЛС — и галактиками внутри них — которые сформировались около 11 миллиардов лет назад.

При гравитационном линзировании галактики кажутся растянутыми и светятся ярче, чем есть на самом деле, объясняют учёные.

То есть мы на Земле видим галактику словно сквозь увеличительное стекло (линзу). Этот эффект имеет место, когда перед галактикой находится массивная структура с сильной гравитацией, которая искривляет проходящий рядом с ней свет.

Гравитационное линзирование позволяет астрофизикам «видеть» в глубоком космосе элементы, обычно невидимые в телескопы, такие как неплотные облака газа и потенциальные галактики, зарождающиеся внутри них.

Как правило, сбор таких данных — длительный и кропотливый процесс. Но исследовательская группа из США и Австралии решила эту проблему с помощью спектрографа KCWI.

Метод, известный как спектроскопия интегрального поля, позволил исследователям получить спектр для каждого отдельного «пикселя» той части неба, на которую нацелен прибор.

Это новшество в сочетании с гравитационным линзированием позволило команде учёных изучить два ЗЛС в небе с беспрецедентной точностью.

Исследователи смогли определить не только размер двух ЗЛС, но и то, что обе эти системы содержат внутри себя галактики.

К слову, ЗЛС оказались огромны. Эти облака диаметром более 17,4 килопарсека более чем две трети сегодняшнего размера галактики Млечный Путь.

Для сравнения, 13 миллиардов лет назад средняя галактика имела бы диаметр менее 5 килопарсек. Парсек равен 3,26 светового года, а килопарсек — это 1 000 парсеков, поэтому свету потребуется 56 723 лет, чтобы пройти через каждое облако ЗЛС.

Но самой удивительной особенностью ЗЛС для учёных оказалось то, что эти объекты не уникальны — в их структуре наблюдается сходство, в обоих были обнаружены галактики, а их массы указывают на то, что они содержат достаточно строительного материала для следующего поколения звёзд.

Теперь с новой комбинацией инструментов исследователи планируют подробнее изучить то, как формировались звёзды в ранней Вселенной.

Работа международной группы учёных была опубликована в научном журнале Nature.

Ранее мы сообщали о том, что в одной из древнейших звёздных систем присутствуют следы кислорода, а также об обнаружении космического гиганта — протоскопления галактик, появившегося всего через миллиард лет после Большого взрыва.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Подписывайтесь на наши страницы в соцсетях. «Смотрим» – Telegram и Яндекс.Дзен, Вести.Ru – Одноклассники, ВКонтакте, Яндекс.Дзен и Telegram.

наука
звезды
космос
Вселенная
галактики
астрофизика
новости

Как появились галактики? . Наша математическая вселенная [В поисках фундаментальной природы реальности]

Итак, мы отодвинули границу нашего знания на 4,5 млрд лет в прошлое. Тогда Солнечная система образовалась в результате гравитационного коллапса гигантского молекулярного облака. Но одноклассник моего сына Филиппа спрашивал: откуда взялось это гигантское молекулярное облако?

Образование Галактики

Вооружённые телескопами, карандашами и компьютерами астрономы нашли убедительный ответ и на эту загадку, хотя ряд важных пробелов ещё предстоит восполнить. По сути, схватка гравитации и давления, в ходе которой сформировалась пиццеобразная Солнечная система, повторяется в гораздо большем масштабе: сжимается куда более крупная заполненная газом область совокупной массой в миллионы или даже триллионы масс Солнца. Такой коллапс не приводит к образованию увеличенной версии Солнечной системы с мегазвездой, окружённой мегапланетами. Вместо этого происходит фрагментация на огромное число газовых облаков меньшего размера, из которых образуются отдельные планетные системы: так рождается галактика. Солнечная система — одна из сотен миллиардов в одной из этих пиццеобразных галактик, которая называется Млечным Путём. Мы находимся примерно на полпути от его центра (рис. 2.2), вокруг которого совершаем оборот за пару сотен миллионов лет.

Иногда галактики сталкиваются друг с другом. Эти космические дорожно-транспортные происшествия не так страшны, как может показаться, поскольку звёзды, как правило, проходят друг мимо друга. В итоге галактики сливаются, а большинство их звёзд объединяется в новую, более крупную галактику. Как Млечный Путь, так и наша ближайшая крупная соседка, Туманность Андромеды, — пиццеобразные галактики, которые называют спиральными из-за восхитительных рукавов (рис. 2.2). Когда сталкиваются две спиральные галактики, результат сначала кажется беспорядочным, а затем формируется округлая капля из звёзд, называемая эллиптической галактикой. Такая судьба ждёт и нас, поскольку через несколько миллиардов лет нам предстоит столкновение с Туманностью Андромеды. Неизвестно, будут ли наши потомки называть свой дом Млечномедой, но мы твёрдо знаем, что это будет эллиптическая галактика: телескопы позволили увидеть множество подобных столкновений на разных стадиях, и результаты этих наблюдений вполне согласуются с теоретическими предсказаниями.

Если галактики образовались за счёт слияния более мелких галактик, насколько малы были те, первоначальные? Эти поиски были темой первого исследовательского проекта, который меня по-настоящему озадачил. Ключевой частью моих вычислений было определение того, как химические реакции в газе порождают молекулы, способные приводить к снижению давления за счёт излучения тепловой энергии. Но каждый раз, когда мне казалось, что вычисления окончены, я обнаруживал, что применяемые мной формулы молекул содержат серьёзную ошибку, делающую все расчёты неверными и заставляющие начать всё сначала. Через четыре года после того, как научный руководитель Джо Силк впервые предложил мне этим заняться, я был настолько раздосадован, что подумывал заказать футболку с надписью «Я ненавижу молекулы» и изображением молекулы водорода, моего главного врага, перечёркнутой толстой красной линией, как на знаке «Курение запрещено». Но затем удача мне улыбнулась: перебравшись в Мюнхен на позицию постдока, я встретил студента по имени Том Абель, который только что завершил поистине энциклопедические расчёты всех молекулярных формул, которые мне требовались. Он присоединился к нашей команде в качестве соавтора, и 24 часа спустя дело было сделано. Мы предсказывали, что масса самых первых галактик составляла «всего» около 1 млн масс Солнца. Нам повезло: этот результат в основном согласуется с гораздо более сложными компьютерными моделями, которыми профессор Том занимается сейчас в Стэнфорде.

Возможно, наша Вселенная расширяется

Самое грандиозное шоу на Земле, в рамках которого поколения живых организмов рождаются, взаимодействуют и умирают, началось около 4,5 млрд лет назад. Кроме того, мы открыли, что это часть ещё более грандиозного спектакля, в котором поколения галактик рождаются, взаимодействуют и умирают в космической «экосистеме». Так вот, не может ли быть в этой постановке третьего уровня, на котором могут рождаться и умирать целые вселенные? В частности, нет ли признаков того, что наша Вселенная имела начало во времени? Если да, как и когда это произошло?

Почему галактики не падают? С ответа на этот вопрос начинается наш следующий рывок, отодвигающий предел знания ещё дальше в прошлое. Мы видели, что Луна не падает на Землю, потому что обращается вокруг неё с высокой скоростью. Вселенная во всех направлениях населена галактиками, и очевидно, что для них это объяснение не подходит. Не все они обращаются вокруг нас. И если Вселенная вечна и в целом статична (то есть далёкие галактики не движутся быстро), почему же они не упадут на нас, как случилось бы с Луной, если бы она вдруг остановилась?

Конечно, во времена Ньютона никто не знал о галактиках. Но если, подобно Джордано Бруно, представить себе бесконечную статическую Вселенную, однородно заполненную звёздами, то должно иметься хотя бы примерное объяснение, позволяющее не волноваться, что они на нас упадут. Законы Ньютона утверждают, что к каждой звезде приложена большая (в действительности бесконечная) сила гравитации, действующая в равной мере во всех направлениях, и можно заключить, что эти противоположно направленные силы погасят друг друга, оставив все звёзды в неподвижности.

В 1915 году это объяснение было опровергнуто новой теорией гравитации — общей теорией относительности. [7] Её автор Альберт Эйнштейн понимал, что статическая бесконечная Вселенная, однородно заполненная материей, не укладывается в новые уравнения гравитации. И как же он поступил? Он, безусловно, усвоил главный урок Ньютона: надо смело экстраполировать свои уравнения и представить, какого рода Вселенная будет им удовлетворять, а затем выяснить, какие наблюдения позволяют проверить, действительно ли мы живём в такой Вселенной. По иронии судьбы, даже Эйнштейн, один из самых изобретательных учёных всех времён, чей принцип состоял в том, чтобы подвергать сомнению самые несомненные допущения и авторитеты, не решился усомниться в собственном авторитете и собственной уверенности в том, что мы живём в вечной, неизменной Вселенной. Вместо этого он совершил, как впоследствии сам признавался, свою величайшую ошибку: изменил уравнения, добавив дополнительный член, позволяющий Вселенной быть статической и вечной. Двойная ирония состоит в том, что сегодня этот дополнительный член, похоже, вновь появился в уравнениях в форме космической тёмной энергии, которую мы ещё обсудим, но на этот раз он имеет иной смысл и не делает нашу Вселенную статической.

Человеком, которому, наконец, хватило смелости и способностей, чтобы довериться уравнениям Эйнштейна, оказался русский физик и математик Александр Фридман. Он решил их в самом общем случае для Вселенной, однородно заполненной материей, и обнаружил нечто шокирующее: большинство решений не было статическим, а изменялось во времени! Статическое решение Эйнштейна было не просто исключением из обычного поведения, но и являлось неустойчивым: почти статическая Вселенная не могла оставаться в таком состоянии длительное время. Если Ньютон показал, что естественное состояние Солнечной системы — пребывать в движении (Земля и Луна просто не могут вечно оставаться в неподвижности), то Фридман продемонстрировал, что естественное состояние нашей Вселенной — движение.

О каком именно движении шла речь? Фридман открыл, что самым естественным состоянием для Вселенной является расширение или сжатие. Если она расширяется, то все объекты внутри неё отдаляются друг от друга, как шоколадные крошки на поднимающемся кексе (рис.  3.2). В этом случае в прошлом все они должны были располагаться ближе друг к другу. На самом деле в простейшем фридмановском решении для расширяющейся Вселенной в прошлом есть определённый момент, когда всё, что мы наблюдаем сегодня, находилось в одном и том же месте, создавая там бесконечную плотность. Иными словами, у нашей Вселенной есть начало, и её рождение представляло собой взрыв чего-то бесконечно плотного. Большой взрыв.

Рис. 3.2. Далёкие галактики удаляются друг от друга, как шоколадные крошки на поднимающемся кексе (слева): с точки зрения любой из них, все остальные удаляются со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Но если считать, что пространство растягивается, как поверхность кекса, то не галактики движутся относительно пространства, а само пространство меняется так, что все расстояния равномерно увеличиваются (справа), как если бы мы переобозначили отметки на всех линейках, сделав из миллиметров сантиметры.

Реакцией на фридмановский Большой взрыв была оглушительная тишина. Хотя его статья была опубликована в одном из наиболее престижных физических журналов Германии и обсуждалась Эйнштейном и иными учёными, в итоге она была, по большому счёту, проигнорирована и не оказала практически никакого влияния на господствующую картину мира того времени. Игнорирование великих озарений — давняя традиция в космологии (на самом деле, науки в целом): мы уже обсуждали гелиоцентризм Аристарха и далёкие солнечные системы Бруно, а дальше в этой и в следующих главах мы встретим ещё много таких примеров. В случае Фридмана, я думаю, причина отчасти была в том, что он опередил своё время. В 1922 году известная Вселенная, по сути, ограничивалась галактикой Млечный Путь (на самом деле, лишь небольшой её частью, которую люди могли наблюдать), а она не расширяется, поскольку сотни миллиардов её звёзд удерживаются на орбитах гравитационным притяжением. Это ответ на девятый вопрос из списка в предыдущей главе: расширяется ли Млечный Путь? Фридмановское расширение относится лишь к таким большим масштабам, в которых можно игнорировать скучивание материи в галактики, а галактик — в скопления. На рис. 2.2 видно, что на больших расстояниях — около 100 млн световых лет — распределение галактик становится довольно однородным, что позволяет применять фридмановские решения для однородной Вселенной, а значит, галактики, разделённые таким большим расстоянием, должны удаляться друг от друга. Но сам факт существования других галактик был установлен Хабблом только в 1925 году, тремя годами позднее! Тут бы и настал звёздный час Фридмана. К сожалению, его дни были сочтены: в тот самый год он умер от брюшного тифа в возрасте всего 37 лет.

Для меня Фридман — один из величайших, но, увы, недооценённых героев космологии. Пока я писал этот отрывок, я перечитал первоисточник, статью Фридмана 1922 года, которая заканчивается интригующим примером огромной, в 5 миллиардов триллионов масс Солнца, вселенной, для которой он рассчитал время жизни: около 10 млрд лет — того же порядка, что и общепризнанный сегодня возраст Вселенной. Фридман не объясняет, откуда он взял это значение задолго до открытия галактик, но это, безусловно, достойное окончание выдающейся статьи выдающегося человека.

Вселенная расширяется

Через пять лет история повторилась: аспирант Массачусетского технологического института, бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр вновь опубликовал независимо переоткрытое им фридмановское решение для Большого взрыва. И вновь научное сообщество фактически проигнорировало его.

В конце концов идея Большого взрыва была воспринята не из-за новой теоретической работы, а из-за новых измерений. Когда Эдвин Хаббл убедился в существовании других галактик, следующим естественным его шагом стало изучение их распределения в пространстве и движения. Как правило, довольно легко измерить скорость, с которой объект приближается к вам или удаляется, поскольку это движение вызывает сдвиг линий в спектре. Красный свет имеет наименьшую частоту среди всех цветов радуги, и если галактика удаляется от нас, все её спектральные линии будут испытывать красное смещение, то есть сдвигаться ближе к красному концу спектра, и чем выше её скорость, тем сильнее будет это смещение. Если же галактика приближается, то её цвета, напротив, будут испытывать голубое смещение к более высоким частотам.

Если бы галактики просто беспорядочно двигались в пространстве, то примерно половина из них имела бы красное смещение, а остальные — голубое. К удивлению Хаббла, почти все изученные им галактики имели красное смещение. Почему они разбегаются от нас? Они нас не любят? Мы что-то не то сказали? Вдобавок Хаббл открыл, что чем больше расстояние d, тем выше скорость v, с которой галактика удаляется от нас. Это выражается формулой v = Hd, которую сейчас называют законом Хаббла. Здесь H — постоянная Хаббла, которую сам Хаббл в эпохальной статье 1929 года скромно обозначил буквой K. Интересно, что Жорж Леметр в своей незамеченной статье 1927 года показал, как из решения, описывающего расширяющуюся Вселенную, вытекает закон Хаббла: если всё в мире расширяется, удаляясь от всего прочего, то и далёкие галактики разбегаются от нас согласно именно такому закону.

Если галактика радиально удаляется, значит, раньше она находилась очень близко. Давно ли это было? Глядя на автомобиль, удирающий после ограбления банка, можно, разделив пройденное расстояние на скорость, оценить, как давно он отъехал от банка. Если сделать это для удаляющихся галактик, закон Хаббла даёт одинаковый ответ — d/v = 1/H — для всех них. Современные измерения дают оценку этой величины 1/H ? 14 млрд лет, то есть открытие Хаббла свидетельствует, что около 14 млрд лет назад имело место нечто весьма впечатляющее — огромное количество материи было сжато до очень высокой плотности. Чтобы получить более точный ответ, нужно принять во внимание ускорение (замедление, равномерное движение) автомобиля (Вселенной) с момента оставления места преступления. Мы, делая сейчас расчёты с применением уравнения Фридмана и данных современных измерений, обнаруживаем, что требуется очень незначительная, на несколько процентов, корректировка: после Большого взрыва наша Вселенная примерно половину времени замедлялась, а остальное время ускорялась, так что соответствующие поправки примерно компенсируют друг друга.

Что означает расширение Вселенной?

После того как были опубликованы измерения Хаббла, они убедили даже Эйнштейна: наша Вселенная официально стала расширяющейся. Но что означает расширение Вселенной? Здесь мы подходим ещё к четырём вопросам, сформулированным в начале гл. 2.

Вопрос первый: действительно ли галактики удаляются от нас — или это пространство расширяется? Весьма удобно, что теория гравитации (общая теория относительности) Эйнштейна считает эти две точки зрения эквивалентными и в равной мере правильными (рис. 3.2), так что думайте об этом так, как вам кажется более естественным.[8]

Согласно первой точке зрения, пространство не меняется, а галактики движутся сквозь него, как шоколадные крошки на поднимающейся сдобной булке под действием добавленного в тесто разрыхлителя. Все галактики (шоколадные крошки) удаляются друг от друга, и чем больше расстояние между ними — тем быстрее. В частности, если вы встанете на конкретную крошку (галактику), вы увидите, что движение всех остальных относительно неё подчиняется закону Хаббла: все они удаляются от вас радиально, и с увеличением расстояния вдвое их скорость также удваивается. Примечательно, что всё выглядит совершенно одинаково независимо от того, с какой шоколадной крошки (галактики) вести наблюдение, так как если у распределения галактик нет границы, то расширение не имеет центра — оно кажется одинаковым отовсюду.

Согласно второй точке зрения, пространство подобно тесту сдобной булки: оно расширяется так, что шоколадные крошки относительно теста неподвижны, а галактики не двигаются сквозь пространство. То есть можно считать галактики покоящимися в пространстве (рис. 3.2, справа), при этом все расстояния между ними изменяются. Это всё равно, что поменять отметки на воображаемых линейках, соединяющих галактики, сделав их из миллиметровых сантиметровыми, отчего все межгалактические расстояния станут в 10 раз больше прежних.

Это даёт ответ ещё на один вопрос: не нарушают ли галактики, удаляющиеся быстрее света, теорию относительности? Закон Хаббла v = Hd говорит, что галактики будут удаляться от нас быстрее скорости света c, если расстояние до них больше c/H ? 14 млрд световых лет, и у нас нет оснований сомневаться, что такие галактики существуют. Не противоречит ли это утверждению Эйнштейна о том, что никакой объект не может двигаться быстрее света? Ответ — и да, и нет. Это нарушает специальную теорию относительности 1905 года, но не противоречит общей теории относительности 1915 года, которая стала последним словом Эйнштейна по данному вопросу. Следовательно, всё в порядке. Общая теория относительности ослабила световой барьер: если специальная теория относительности утверждает, что никакие два объекта не могут двигаться быстрее света друг относительно друга ни при каких обстоятельствах, то общая говорит, что они не могут двигаться быстрее света друг относительно друга, когда они находятся в одном и том же месте. Однако галактики, удаляющиеся со сверхсветовой скоростью, находятся очень далеко от нас. Если настаивать на том, что пространство расширяется, можно перефразировать это соображение: ничему не позволено двигаться быстрее света сквозь пространство, но само пространство может растягиваться с какой ему угодно скоростью.

Кстати, о далёких галактиках. Я видел газетные статьи, где говорилось о галактиках, отстоящих от нас на 30 млрд световых лет. Если возраст нашей Вселенной всего 14 млрд лет, то как мы видим объекты в 30 млрд световых лет? Каким образом их свету хватило времени, чтобы добраться до нас? Более того, они удаляются от нас быстрее света, что делает абсурдным сам разговор о возможности их увидеть. Ответ в данном случае состоит в том, что мы видим эти далёкие галактики не там, где они находятся теперь, а там, где они были, когда испускали свет, который сейчас доходит до нас. Точно так же, как Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут назад, и в том месте, где оно было 8 минут назад, далёкие галактики мы можем видеть такими, какими они были 13 млрд лет назад, и в тех местах, где они были тогда, — примерно в 8 раз ближе к Земле, сравнительно с их нынешним положением. Так что свету из таких галактик достаточно пройти сквозь пространство всего 13 млрд световых лет, а разница добирается за счёт растяжения пространства. Это похоже на то, как по бегущей дорожке в аэропорту можно пройти 20 метров, сделав всего 10 шагов.

Как расширяется Вселенная?

Не случится ли там, вдали, куда направлено разбегание галактик, какого-нибудь космического ДТП, когда они врежутся в то, что находится там, куда они расширяются? Если наша Вселенная расширяется согласно уравнениям Фридмана, такой проблемы не существует: как показано на рис. 3.2, расширение выглядит одинаково повсюду в космосе, так что подобных проблемных мест быть не может. Если принять ту точку зрения, что далёкие галактики удаляются сквозь статическое пространство, причина, по которой они никогда не сталкиваются с более далёкими галактиками, состоит в том, что те удаляются ещё быстрее: вам не удастся врезаться сзади в разгоняющийся «Порше», если сами вы сидите за рулём ископаемого «Форда-Т». Если же считать, что пространство расширяется, то объяснение состоит просто в том, что его объём не сохраняется. Новости с Ближнего Востока приучили нас к той мысли, что нельзя получить больше места иным путём, кроме как отобрав его у кого-нибудь. Однако общая теория относительности утверждает прямо противоположное: дополнительный объём может быть создан в определённой области между некоторыми галактиками без того, чтобы он расширялся в другие области. Этот объём просто остаётся между галактиками (рис. 3.2, справа).

Космическая классная комната

Как бы безумно это ни звучало, представление о расширении Вселенной логически последовательно и поддерживается астрономическими наблюдениями. Со времени Эдвина Хаббла подтверждающих эту теорию наблюдений стало гораздо больше благодаря современным технологиям и новым открытиям. Самый фундаментальный вывод состоит в том, что изменениям подвержена вся Вселенная: отодвинув рубеж наших знаний на миллиарды лет, мы обнаружили Вселенную, которая ещё не настолько сильно расширилась и поэтому была плотнее и гуще населена. Таким образом, мы обитаем не в скучном статическом пространстве, аксиоматизированном Евклидом, а в динамичном эволюционирующем пространстве, которое пережило своего рода детство и даже, возможно, рождение — около 14 млрд лет назад.

Радикально усовершенствованные телескопы усилили наше зрение настолько, что теперь мы можем непосредственно наблюдать за эволюцией пространства. Представьте, что вы выступаете с презентацией перед большой аудиторией. Внезапно вы замечаете нечто забавное. Ближайший к вам ряд кресел занят людьми примерно вашего возраста. Однако в десятом ряду вы видите лишь подростков. За ними — кучку маленьких детей, а ряд позади них занят младенцами. Вглядываясь во Вселенную, мы видим нечто подобное. Вблизи множество больших, зрелых галактик, похожих на нашу, а очень далеко мы видим в основном маленькие юные галактики, которые не кажутся вполне развитыми. А за ними и вовсе нет галактик, лишь темнота. Поскольку свету требуется больше времени, чтобы прийти издалека, заглядывание на большие расстояния равносильно наблюдению прошлого. Темнота позади галактик — это эпоха до образования всех галактик. В то время пространство было заполнено водородом и гелием в виде газа, тяготение которого ещё не успело превратить его сгущения в галактики, а поскольку этот газ прозрачен, как гелий в воздушных шарах, он невидим в телескоп.

Но есть загадка: во время презентации вы неожиданно замечаете, что из-за последнего пустого ряда поступает энергия — задняя стена аудитории не вполне тёмная, а испускает слабое излучение в виде микроволн! Почему? Мы видим именно такое свечение, когда заглядываем очень далеко во Вселенной.

Гигантские галактики из детства Вселенной Истории о космическом происхождении

Недавно международная группа астрономов отправилась в прошлое, когда нашей Вселенной было всего 1,8 миллиарда лет. Они, конечно, не пошли прямо, а остановились на следующей лучшей вещи: собрать 17 часов звездного света с единственного маленького участка далекого космоса с помощью Большой бинокулярной телескопической обсерватории на вершине горы Грэм в юго-восточной Аризоне. Такие виртуальные путешествия с перемоткой часов являются обычным делом в астрономии — конечная скорость света гарантирует, что чем глубже в космос вы смотрите, тем дальше назад во времени вы смотрите. И многие обсерватории по всему миру могут собирать слабые фотоны древнего неба. Но эта конкретная космическая прогулка касалась чего-то особенного — даже тревожного: аномально массивной эллиптической галактики, получившей название C1-23152. Это скопление звезд в форме яйца настолько велико, что бросает вызов общепринятым моделям своего происхождения. Проще говоря, C1-23152 кажется слишком большим для ранней Вселенной.

Считается, что первые галактики были относительно крохотными, складывались из более мелких строительных блоков постепенно и достигали гигантских размеров только после миллиардов лет роста. Имея примерно 200 миллиардов звезд солнечной массы, C1-23152 переворачивает чашу весов для этого сценария. И не только. За последнее десятилетие астрономы обнаружили несколько очень древних и очень больших галактических бегемотов. В 2017 году, например, пара чрезвычайно больших галактик — одна из них способна произвести 2,900 солнечных масс звезд в год — было обнаружено, что они существуют менее чем через 800 миллионов лет после Большого взрыва. В 2019 году было обнаружено, что семейство из 39 огромных галактик, каждая из которых представляет собой звездную фабрику, производящую около 200 звезд солнечной массы в год, пронеслось по Вселенной в течение двух миллиардов лет после ее рождения.

Угрожает ли постоянно растущее число почтенных огромных объектов разрушить традиционную модель формирования галактик? «Хитрость здесь в том, сколько их у вас есть?» — говорит Марсель Нилеман, астроном из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия, который не участвовал в новом исследовании. Горстка не будет иметь значения; Вселенная достаточно велика, чтобы время от времени возникали странные вещи. Но если будущим, все более совершенным телескопам удастся найти их гораздо больше, то, возможно, эти колоссальные галактики из детства Вселенной могут разрушить наше понимание космоса.

Давным-давно в далекой-далекой галактике

То, что стало общепринятой моделью формирования галактик, в значительной степени основано на моделировании космической эволюции, воспроизводящем наши наблюдения за локальной вселенной — то, что мы можем видеть вблизи Млечного Пути. Путь.

После Большого взрыва космос расширился и вытянулся довольно равномерно во всех направлениях. Но, говорит Нилман, вы получаете «крошечные вариации плотности ткани вселенной». Эти вариации являются домом для сгустков темной материи, вещества, которое практически не излучает электромагнитное излучение. Таким образом, темную материю еще предстоит обнаружить напрямую, но наблюдения за галактиками показывают, что эта невидимая масса создает собственное гравитационное притяжение. Это означает, что эти сгустки темной материи притягивают «обычную» материю (то, что мы, люди, можем обнаружить и с чем можем взаимодействовать), большую часть которой составляет газ. Газ падает в эти гравитационные колодцы и сжимается вместе, вызывая звездообразование. Все больше материи продолжает падать в эти постоянно расширяющиеся колодцы, называемые астрономами «ореолами» темной материи, постепенно образуя все более и более крупные структуры в течение 13,8 миллиардов лет жизни Вселенной. Этот процесс должен более или менее создать то распределение галактик, которое мы наблюдаем сегодня, говорит Паоло Саракко, астроном из Итальянского национального института астрофизики и ведущий автор исследования, сообщающего о недавних наблюдениях C1-23152.

Вот почему древние массивные галактики проблематичны. «Для нашего нынешнего понимания образования галактик мы как бы основывались на галактиках, которые знали в то время», — говорит Корал Уилер, астроном из Калифорнийского государственного политехнического университета в Помоне, которая не участвовала в новом исследовании. В эти галактики не входили ни очень старые, ни маленькие, ни большие. Оглядываясь назад во времени с помощью все более мощных телескопов, мы начали обнаруживать эти очевидные выбросы. И по мере того, как число аномальных объектов росло, астрономы начали задаваться вопросом, нужно ли расширять их модели, чтобы освободить место для них, или же эти модели деформируются и ломаются под нагрузкой.

Как сообщалось в Астрофизическом журнале в декабре 2020 года, команде Саракко удалось извлечь некоторые пикантные детали из C1-23152. Свет из далеких космических регионов растягивается расширяющейся Вселенной по мере своего продвижения к Земле. Чем больше он растянут, тем больше его сдвиг в сторону более длинноволнового «красного» участка электромагнитного спектра. Это «красное смещение» звездного света C1-23152 указывает на то, что он появился 12 миллиардов лет назад, еще в молодости Вселенной. Тот факт, что эта галактика одновременно и древняя, и массивная, сам по себе достаточно проблематичен для традиционных моделей медленного, но верного формирования галактик. Но он не просто появился полностью сформированным. Настоящим прорывом Саракко и его команды было проследить историю звездообразования C1-23152 по всей вселенной.

Ключом к этому прорыву было видение спектра гигантской галактики — радужного измерения различных длин волн или цветов, которые объект излучает или поглощает. Определенные цветовые комбинации различают определенные элементы, а это означает, что эту спектральную симфонию можно использовать для определения состава звезд галактики. Саракко говорит, что, используя эту силу, «впервые мы с очень хорошей точностью определили средний возраст звездного населения внутри [C1-23152] и время, необходимое для формирования этих звезд».

Количество элементов в C1-23152, которые оказались тяжелее водорода и гелия, которые астрономы коллективно называют «металлами», намекало на его странность. Металлы производятся в процессе звездообразования, которое выбрасывает их в межзвездную среду галактики через сверхновые, делая их доступными для использования звездами следующего поколения. Чем больше металлов, тем больше циклов звездообразования, и современным массивным галактикам потребовалось много миллиардов лет, чтобы стать богатыми металлами. Спектр C1-23152 показал, что галактика была настоящим металлическим золотым дном еще в первые дни своего существования, что означает, что она сделала серия  звезд очень быстро, вскоре после того, как она впервые сформировалась.

Как быстро? Спектральные особенности звезд также могут ответить на этот вопрос, потому что они показывают, какие из них имеют элементы, типичные для более молодых или более старых звезд. Возраст самых молодых звезд C1-23152 примерно 150 миллионов лет. Самым древним около 600 миллионов лет. Это означает, что галактика создала около 200 миллиардов солнечных масс всего за полмиллиарда лет, то есть 450 звезд в год, более одной в день. Эта цифра почти в 300 раз превышает оценки текущей мощности Млечного Пути. Если большинство галактик представляют собой медленно горящие дровяные костры, из которых время от времени вспыхивают новые языки пламени, то C1-23152 — это пропитанный бензином костер.

C1-23152 и его близкие родственники ставят астрономов перед потенциально ломающей модель загадкой: как массивные галактики могут собираться и воспламеняться так быстро и так рано? На данный момент ответ, вкратце, заключается в том, что они не могут.

Выращивание Вселенной в коробке

В течение некоторого времени симуляции пытались вырастить эти гигантские галактики. Но это не значит, что они просто не могут этого сделать. Вместо этого проблема может заключаться в том, как они запрограммированы.

«Когда вы запускаете симуляцию, существует компромисс между тем, насколько большой объем вы хотите смоделировать, и тем, сколько деталей вы можете смоделировать из-за мощности вашего компьютера, — говорит Бен Форрест, астроном из Калифорнийского университета в Риверсайде и соавтор нового исследования. Если эти древние массивные галактики редки, возможно, мы не используем достаточно большие ящики, чтобы дать им возможность появиться. «Возможно, некоторые из симуляций на самом деле не охватывают достаточного объема», — говорит он.

Быстро настроить их так, чтобы они порождали мегагалактики ранних эпох космического времени, тоже непросто. «Требуется много времени, чтобы повторить их. Если вы хотите что-то изменить, вы должны быть уверены, что это правильно, и это то, что вы хотите сделать», — говорит Форрест.

Некоторые из последних итераций симуляций с лучшими данными и вычислительной мощностью действительно предсказывают, что эти массивные галактики существовали в небольшом количестве в ранние времена, добавляет он. Но в отличие от того, что наблюдается в действительности, они, как правило, все еще создают звезды. Древние галактики, в том числе C1-23152, резко прекратили звездообразование после продуктивного пика — либо потому, что у них закончилось водородное и гелиевое топливо, либо потому, что излучение, испускаемое свежими звездами и другими чрезмерно усердными астрофизическими источниками, готовит этот газ и взрывает его. вне досягаемости. Очевидно, что некоторые ингредиенты все еще отсутствуют в наших виртуальных рецептах, поэтому мы пока не можем полагаться на них для объяснения.

В другом месте ученые нашли подсказки, которые могут объяснить происхождение этих древних мегагалактик. Анастасия Фиалкова, космолог из Кембриджского университета, не участвовавшая в последней работе, говорит, что, в отличие от полномасштабных симуляций, расчеты аналитической физики могут «учитывать весь объем Вселенной». И они предполагают, что небольшое количество ореолов темной материи, способных инициировать звездообразование, появляется всего через 40 миллионов лет после Большого взрыва.

Это время значительно раньше, чем большинство ореолов темной материи, которые появляются позже, в молодые эпохи Вселенной — те, которые, как считается, ответственны за заселение большей части галактик, которые мы видим сегодня. Вместо этого ореолы, появившиеся через 40 миллионов лет после Большого взрыва, могли бы дать начало древним массивным галактикам, которые в конечном итоге стали бы обнаруживаемыми с помощью наших телескопов. Ранняя Вселенная также была более плотной, отмечает Уилер. Это сделало бы сбор звездообразующих водорода и гелия вокруг этих первичных ореолов темной материи, а в конечном итоге и галактик, довольно легким делом.

Другой вариант, говорит Нилман, состоит в том, что могло произойти сочетание нескольких вещей. Редкие гиперплотные карманы Вселенной позволили бы множеству галактик слиться на очень раннем этапе, в то время как потоки, направляющие газ в сердце галактики, могли бы ускорить звездообразование.

В любом случае появление огромных древних галактик легче объяснить, если темная материя холодная. Здесь «холодный» означает, что темная материя движется относительно медленно. «Горячая» темная материя будет двигаться со скоростями, приближающимися к скорости света. Вообще говоря, чем холоднее темная материя, тем легче она может сконденсироваться в засеивающие галактики гало. Это предположение может быть не обязательно правильным, но «холодная темная материя — это простейший работающий сценарий темной материи», — говорит Фиалков.

Неясно, какая смесь этих событий лучше всего объясняет происхождение и эволюцию C1-23152, не говоря уже о его колоссальных кузенах. «Это не какой-то особый уголок вселенной», — говорит Саракко. Но, что важно, ничто здесь не угрожает ниспровержением традиционной модели медленного, но верного формирования галактик, говорит он. Эти древние массивные галактики просто представляют собой еще один путь, по которому галактики могут пойти.

Назад в будущее

Традиционная модель на данный момент сохранилась, но только частично, потому что было обнаружено несколько таких массивных галактик. «Мы имеем дело со статистикой малых чисел, — говорит Форрест. Однако ученые не имеют четкого представления об истинном количестве бегемотов. Пока это не изменится, понимание того, какое влияние они оказывают на наше космическое понимание и как галактики развиваются по-разному, останется неоднозначным.

Возможно, мы уже видели гораздо больше этих старых мегагалактик, чем думаем. Для детальных исследований наши телескопы часто обращаются к самым ярким массивным, но выгоревшим галактикам до того, как раскрывается их природа. Однако астрономы заметили более слабые объекты с похожими характеристиками в ранней Вселенной, говорит Стейн Вуйтс, астроном из Университета Бата в Англии, который не участвовал в недавней работе. Они могут оказаться просто менее массивными галактиками или еще более древними массивными галактиками, наблюдаемыми задолго до их звездообразования. Являются ли эти объекты тусклыми свечами ближе к дому или огромными кострами вдали?

Как всегда, требуется больше данных—. И несколько будущих телескопов помогут нам в этой галактической переписи, путешествующей во времени.

Во-первых, нужно обнаружить подозрительные яркие пятна в далеком прошлом. «Если вы хотите получить кучу кандидатов, тогда широкое поле зрения — это здорово», — говорит Форрест. Римский космический телескоп Нэнси Грейс, ранее известный как WFIRST и в настоящее время намеченный к запуску в 2025 году, будет иметь поле зрения, эквивалентное 100 космическим телескопам Хаббла: его широкие чувствительные глаза увидят множество возможных древних массивных галактик.

Затем эти кандидаты должны быть подвергнуты судебно-медицинской экспертизе путем изучения их различных спектров, чтобы определить их свойства и подтвердить, что они действительно являются такими галактиками, а не самозванцами. «В идеале вам нужен действительно большой телескоп, — говорит Форрест. «Это дает вам больше области сбора — это большее ведро, куда фотоны могут попасть от объекта». Тридцатиметровый телескоп на Гавайях может подойти, если он будет построен, и Чрезвычайно большой телескоп также может соответствовать всем требованиям. Космический телескоп Джеймса Уэбба, который, наконец, запускается в октябре этого года после множества задержек, тоже должен работать хорошо. «Он не такой большой, — говорит Форрест. «Ведро для фотонов немного меньше, но тогда вам не нужно смотреть сквозь атмосферу», поэтому приходится иметь дело с меньшими помехами.

Компания Saracco особенно рада этим новым увеличительным стеклам следующего поколения, потому что они будут делать больше, чем просто находить очень удаленные объекты. «Мы сможем наблюдать внутри галактики [a] в отдельных областях звездообразования», — говорит он. Другими словами, вместо размытой картины объемных характеристик галактики астрономы получат более детальное представление — разницу между грубым наброском и детальной картиной — открыв новую главу в нашем понимании того, как формируются галактики.

Пока не прибудет эта помощь, эта научная область останется в зачаточном состоянии. «С формированием галактик связано так много неопределенности, — говорит Уилер.

Преследование монстров в темноте может нервировать. Они угрожают догмам эпохи, заставляя нас расширять наши прежние модели, чтобы они соответствовали им. И если эти модели растягиваются до предела, ничего страшного. «Мы хотим каким-то образом бросить вызов модели, — говорит Уилер. «Когда вещи не совпадают, тогда становится интересно».

ОБ АВТОРЕ(АХ)

Робин Джордж Эндрюс — вулканолог, писатель и научный обозреватель из Лондона. Его первая книга Super Volcanoes: What They Reveal about Earth and the Worlds Beyond ,  была опубликована в ноябре 2021 года. Следите за новостями Робина Джорджа Эндрюса в Твиттере. Авторы и права: Ник Хиггинс

Десять крупнейших галактик во Вселенной

Галактика.

• Самая большая известная галактика во Вселенной — IC 1101, протяженностью четыре миллиона световых лет на
• Все крупнейшие галактики являются либо эллиптическими, либо спиральными галактиками
• Большинство галактик вырастают до своих нынешних размеров, поглощая другие галактики

Галактики бывают самых разных форм и размеров. Если мы думаем о галактиках как о единичных объектах, они являются одними из самых больших структур во Вселенной. Большинство звезд и планет во Вселенной содержится внутри галактик. По оценкам астрономов, Вселенная содержит более 200 миллиардов галактик. Какие из всех известных галактик оказались самыми большими и насколько они велики?

Самая большая известная галактика: IC 1101

Изображение IC 1101, полученное Хабблом, НАСА

. На сегодняшний день крупнейшей обнаруженной галактикой является IC 1101. IC 1101 классифицируется как сверхгигантская эллиптическая галактика, и она сильно отличается от Млечного Пути. Как эллиптическая галактика, IC 1101 содержит множество красных и желтых звезд малой и средней массы, большинство из которых довольно старые. В центре IC 1101 находится сверхмассивная черная дыра, которая оказалась самой большой черной дырой из когда-либо обнаруженных. Диаметр IC 1101 оценивается в четыре миллиона световых лет. Для сравнения, Млечный Путь имеет диаметр примерно 100 000 световых лет, что делает IC 1101 в 40 раз больше, чем Млечный Путь. Если бы вы поместили IC 1101 там, где находится Млечный Путь, она бы полностью поглотила Галактику Андромеды на расстоянии 2,5 миллиона световых лет. IC 1101 находится примерно в миллиарде световых лет от Млечного Пути и, вероятно, содержит более 100 триллионов звезд.

Второй: Геркулес А

Снимок Геркулеса А, сделанный Хабблом, НАСА

Эллиптическая галактика, обозначенная как Геркулес А, является второй по величине из известных галактик. Диаметр Геркулеса А оценивается в 1,5 миллиона световых лет, и, как и IC 1101, она классифицируется как сверхгигантская эллиптическая галактика. Помимо размера и типа галактики, о Геркулесе А мало что известно, и на это есть причина. Сверхмассивная черная дыра в центре Геркулеса А в настоящее время излучает два гигантских луча радиоволн. Эти лучи настолько энергичны, что затрудняют детальное изучение остальной части галактики. Даже эти лучи радиоволн огромны, их длина превышает миллион световых лет.

Третий: A2261-BCG

A2261-BCG — третья по величине известная галактика во Вселенной, имеющая диаметр в один миллион световых лет, что примерно в десять раз превышает размер Млечного Пути. A2261-BCG — сверхгигантская эллиптическая галактика, которая, по оценкам, содержит более десяти триллионов звезд. A2261-BCG — довольно странная галактика по одному простому факту: в ее центре нет сверхмассивной черной дыры. Подавляющее большинство крупных галактик во Вселенной имеют в центре сверхмассивную черную дыру, но по неизвестным причинам у A2261-BCG ее нет. A2261-BCG находится в трех миллиардах световых лет от нас.

Четвертый: ЕСО 306-17

Четвертая по величине известная галактика во Вселенной — ESO 306-17, ее диаметр составляет примерно один миллион световых лет. Как и галактики, обсуждавшиеся ранее, ESO 306-17 является сверхгигантской эллиптической галактикой, но есть что-то, что делает эту конкретную галактику уникальной. В то время как большинство галактик находятся в обширных скоплениях галактик, ESO 306-17 одинока, а все окружающее пространство пусто. Астрономы считают, что ESO 306-17, возможно, когда-то была одной из многих галактик в своем районе, но в конечном итоге она слилась с каждой соседней галактикой и поглотила ее, в результате чего она увеличилась в размерах и стала одной из крупнейших известных галактик во Вселенной. ESO 306-17 находится примерно в 500 миллионах световых лет от нас.

Пятая: Комета Галактика

Хаббловское изображение галактики кометы, НАСА

Галактика кометы является пятой по величине известной галактикой и первой в списке, которая не является эллиптической галактикой. Галактика Комета представляет собой спиральную галактику диаметром 600 000 световых лет. Галактика Комета также является одной из самых быстрых галактик во Вселенной, движущейся со скоростью два миллиона миль в час (3,22 миллиона километров в час). По мере того, как эта галактика мчится сквозь пространство, ее буквально разрывает на части гравитационная сила других близлежащих галактик. Эти гравитационные силы в сочетании со скоростью галактики вызывают образование огромного хвоста материала, что делает его похожим на комету. Галактика Комета находится на расстоянии 3,2 миллиарда световых лет от нас.

Шестой: Галактика Кондор

Галактика Кондор — шестая по величине известная галактика во Вселенной с диаметром 522 000 световых лет. Галактика Кондор — это большая спиральная галактика с двумя выступающими наружу рукавами. Интересно, что астрономы считают, что причина сильно вытянутых спиральных рукавов в галактике Кондор связана с кратким столкновением с другой соседней галактикой много миллионов лет назад. Галактика Кондор находится на расстоянии 212 миллионов световых лет от нас.

Седьмой: UGC 2885

Снимок Хаббла UGC 2885, NASA

Седьмая по величине известная галактика — UGC 2885, ее диаметр составляет 463 000 световых лет. В отличие от первых четырех рассмотренных галактик, UGC 2885 представляет собой спиральную галактику, очень похожую на наш Млечный Путь. Интересно, что UGC 2885 существует в довольно пустой области космоса, и в окрестностях UGC 2885 нет других галактик. В отличие от ESO 306-17, которая выросла до огромных размеров, поглотив все соседние галактики, UGC 2885, вырос из аккреции огромного количества водорода. UGC 2885 находится на расстоянии 232 миллиона световых лет от нас.

Восьмой: ЕСО 444-46

ESO 444-46 — восьмая по величине известная галактика во Вселенной с диаметром 400 000 световых лет. ESO 444-46 классифицируется как сверхгигантская эллиптическая галактика, и считается, что она выросла до своих нынешних размеров в результате слияния и поглощения множества других галактик. ESO 444-46 является домом для одной из самых больших популяций звездных скоплений во Вселенной, насчитывающей около 27 000 из них. ESO 444-46 находится примерно в 640 миллионах световых лет от нас.

Девятый: Галактика Головастик

Изображение галактики Головастик, сделанное Хабблом, НАСА

Галактика Головастик — девятая по величине известная галактика с диаметром 280 000 световых лет. Как и Млечный Путь, галактика Головастик представляет собой спиральную галактику, но у нее есть одна уникальная особенность, которая отличает ее от большинства галактик. За Галактикой Головастика следует обширная цепочка звезд, которая тянется наружу от галактики, образуя нечто, похожее на хвост головастика. Именно этот хвост делает галактику Головастик такой огромной, так как простирается на многие тысячи световых лет. Астрономы считают, что этот обширный след из звезд образовался после того, как близлежащая галактика приблизилась к галактике Головастик в далеком прошлом. Гравитационное притяжение другой галактики разрушило бы форму Галактики Головастик, в процессе вытягивая звезды наружу. Галактика Головастик находится на расстоянии 420 миллионов световых лет от нас.

Десятый: Галактика Андромеды

Титул десятой по величине галактики во Вселенной принадлежит нашему ближайшему галактическому соседу, Галактике Андромеды. А Андромеда примерно в два раза больше Млечного Пути, имея диаметр около 200 000 световых лет. Многое из того, что мы знаем о нашей собственной галактике, на самом деле получено из наблюдений за Андромедой, поскольку обе галактики очень похожи друг на друга. Андромеда — спиральная галактика, по форме очень похожая на Млечный Путь. Однажды, примерно через десять миллиардов лет, Млечный Путь и Андромеда, вероятно, сольются вместе и в конечном итоге сформируют одну гораздо большую галактику. Андромеда — ближайшая к Млечному Пути галактика, находящаяся на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.

.0003	Four million light years
2	Hercules A	1.5 million light years
3	A2261-BCG	One million light Годы
4	ESO 306-17	Один миллион лет.0141 Comet Galaxy	600,000 light years
6	Condor Galaxy	522,000 light years
7	UGC 2885	463,000 light лет
8	ESO 444-46	400 000 световых лет	90 4149 90 1409 3	Tadpole Galaxy	280,000 light years
10	Andromeda Galaxy	200,000 light years

Эйдан Ремпл 8 июня 2022 в науке

Широкий обзор ранней Вселенной Намеки на галактику среди самых ранних когда-либо обнаруженных галактик .

Оба изображения включают объекты возрастом более 13 миллиардов лет, и одно предлагает гораздо более широкое поле зрения, чем первое изображение глубокого поля Уэбба, которое было опубликовано с большой помпой 12 июля. Изображения представляют собой одни из первых результатов крупного сотрудничества астрономы и другие ученые-исследователи объединяются с НАСА и глобальными партнерами, чтобы раскрыть новые идеи о Вселенной.

Команда идентифицировала один особенно интересный объект, названный галактикой Мэйси в честь дочери руководителя проекта Стивена Финкельштейна, который, по их оценкам, наблюдается всего через 290 миллионов лет после Большого взрыва (астрономы называют это красным смещением на z). =14).

Находка была опубликована на сервере препринтов arXiv и ожидает публикации в рецензируемом журнале. Если открытие подтвердится, это будет одна из самых ранних галактик, которые когда-либо наблюдались, и ее присутствие будет указывать на то, что галактики начали формироваться намного раньше, чем многие астрономы считали ранее.

На беспрецедентно четких изображениях виден шквал сложных галактик, эволюционирующих с течением времени — одни изящно зрелые вертушки, другие — крошечные малыши, третьи — туманные завихрения соседей-делай-ся-делай. Изображения, на сбор которых ушло около 24 часов, сделаны на участке неба возле ручки Большой Медведицы, созвездия, официально именуемого Большой Медведицей. Та же самая область неба ранее наблюдалась космическим телескопом Хаббла, как видно на расширенной полосе Грота.

«Удивительно видеть, как светящаяся точка от Хаббла превращается в целую галактику красивой формы на этих новых изображениях Джеймса Уэбба, а другие галактики просто появляются из ниоткуда», — сказал Финкельштейн, доцент астрономии в Университете Нью-Йорка. Техас в Остине и главный исследователь Исследования раннего выпуска космической эволюции (CEERS), из которого были взяты эти изображения. 900:03 Ученые из коллаборации CEERS идентифицировали объект, названный галактикой Мэйси в честь дочери руководителя проекта Стивена Финкельштейна, который может быть одной из самых ранних когда-либо наблюдаемых галактик. Если предполагаемое красное смещение в 14 подтвердится будущими наблюдениями, это будет означать, что мы видим его таким, каким оно было всего через 290 миллионов лет после Большого взрыва. Авторы и права: НАСА/STScI/CEERS/TACC/S. Финкельштейн/М. Бэгли/З. Левай.

Сотрудничество CEERS состоит из 18 соисследователей из 12 учреждений и более 100 сотрудников из США и девяти других стран. Исследователи CEERS изучают, как образовались некоторые из самых ранних галактик, когда возраст Вселенной составлял менее 5% от ее нынешнего возраста, в период, известный как реионизация.

Перед тем, как поступили фактические данные телескопа, Микаэла Бэгли, научный сотрудник UT Austin и один из руководителей отдела визуализации CEERS, создала смоделированные изображения, чтобы помочь команде разработать методы обработки и анализа новых изображений. Бэгли возглавил группу, обрабатывающую реальные изображения, чтобы вся команда могла проанализировать данные.

Большое изображение (среднее/высокое разрешение) представляет собой мозаику из 690 отдельных кадров, на сбор которых ушло около 24 часов с помощью основного формирователя изображения телескопа, называемого камерой ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam). Это новое изображение охватывает область неба примерно в восемь раз больше, чем первое изображение глубокого поля Уэбба, хотя оно не такое глубокое. Исследователи использовали суперкомпьютеры Техасского центра передовых вычислений для первоначальной обработки изображений: Stampede2 использовался для удаления фонового шума и артефактов, а Frontera, самый мощный в мире суперкомпьютер в американском университете, использовался для объединения изображений в единую мозаику. .

«Высокопроизводительные вычислительные мощности позволили объединить множество изображений и одновременно хранить кадры в памяти для обработки, в результате чего получилось одно прекрасное изображение», — сказал Финкельштейн.

Изображение, полученное с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI) на космическом телескопе Джеймса Уэбба с участка неба возле рукоятки Большой Медведицы. Это одно из первых изображений, полученных в рамках сотрудничества Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS). Авторы и права: НАСА/STScI/CEERS/TACC/S. Финкельштейн/Г. Ян./К. Папович/З. Леве

Другое изображение (среднее разрешение) было получено с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI). По сравнению с NIRcam, MIRI имеет меньшее поле зрения, но работает с гораздо более высоким пространственным разрешением, чем предыдущие телескопы среднего инфракрасного диапазона. MIRI обнаруживает более длинные волны, чем NIRCam, позволяя астрономам видеть космическую пыль, светящуюся от звездообразующих галактик и черных дыр на скромно больших расстояниях, и видеть свет от более старых звезд на очень больших расстояниях.

Вся программа CEERS потребует более 60 часов работы телескопа. В декабре будет собрано гораздо больше данных изображений, наряду со спектроскопическими измерениями сотен далеких галактик.

Космический телескоп NASA имени Джеймса Уэбба создан в сотрудничестве с ESA (Европейское космическое агентство) и CSA (Канадское космическое агентство). Дополнительными соисследователями CEERS являются Генри Фергюсон, Норман Грогин, Антон Кукемур, Нор Пирцкал и Свара Равиндранат из Научного института космического телескопа; Марк Дикинсон из NOIRLab NSF; Андреа Грациан из INAF – Osservatorio Astronomico di Padova; Джейхан Карталтепе из Рочестерского технологического института; Лиза Кьюли из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики; Дейл Кочевски из колледжа Колби; Дженнифер Лотц из обсерватории Джемини; Кейси Папович из Техасского университета A&M; Лаура Пентериччи, INAF – Osservatorio Astronomico di Roma; Пабло Г.