Результаты работы Уэбба и кандидаты на звания самых далёких и ранних галактик Вселенной
Запущенный в космос телескоп «Джеймс Уэбб» оправдал все надежды астрономов и любителей космоса, и даже более. В частности, он позволил обнаружить множество кандидатов на самые удалённые галактики –, а значит, и самые ранние галактики во Вселенной. Эти галактики интересны как для понимания эволюции этих космических структур, так и тем, что в них телескоп теоретически может разглядеть самые первые звёзды.
В начале статьи приведено изображение скопления галактик SMACS J0723.3–7327 с сопутствующим расстоянием в 5,12 миллиарда световых лет, находящегося в созвездии Летучей Рыбы. Это первое полноцветное изображение, полученное Уэббом — точнее, его инструментом NIRCam. Ранее мы уже наблюдали его через космический телескоп Хаббл в рамках Кластерного обзора Южного Масива (SMACS), а также в космические телескопы Планк и Чандра.
На изображении астрономы насчитали 87 сверхдалёких галактик, потенциально относящихся к первым 500 млн лет нашей космической истории. Впоследствии были проведены ещё более масштабные и глубокие исследования галактик.
- В рамках расширенного глубокого внегалактического обзора (JADES) в сентябре 2022 года была обнаружена галактика лаймановского разрыва JADES-GS-z13–0. Галактики лаймановского разрыва — это звездообразующие галактики на высоких красных смещениях, которые отбираются с помощью различия внешнего вида галактики в нескольких фильтрах визуализации из-за положения предела Лаймана. Эта техника в основном использовалась для отбора галактик на красных смещениях z = 3–4 с помощью ультрафиолетовых и оптических фильтров, но прогресс в ультрафиолетовой астрономии и инфракрасной астрономии позволил использовать её на более низких и более высоких красных смещениях с помощью ультрафиолетовых и ближних инфракрасных фильтров.
JADES-GS-z13–0 — самая удалённая от Земли и одна из самых ранних из известных науке галактик, образовавшаяся спустя всего 320 млн лет после Большого взрыва. Её спектроскопически подтверждённое красное смещение (z) составляет 13,2. Это соответствует 13,6 млрд световых лет, однако из-за расширения Вселенной собственное расстояние до галактики составляет около 33,6 млрд световых лет. - COSMOS-Web — это глубокий, широкозональный, многоволновой обзор, направленный на измерение эволюции галактик на масштабах от нескольких Кпк до 10's Mpc. Основной набор данных охватывает область площадью 2 квадратных градуса вокруг этого центра, но некоторые наборы данных значительно выходят за пределы этой области.
Обзор проводили на всех доступных длинах волн от рентгена до радио с помощью большинства крупных космических (Hubble, Spitzer, GALEX, XMM, Chandra, Herschel, NuStar) и наземных телескопов (Keck, Subaru, Very Large Array (VLA), Очень большой телескоп Европейской южной обсерватории (ESO-VLT), инфракрасный телескоп Великобритании (UKIRT), телескопы Бадде и Бланко Национальной оптической астрономической обсерватории (NOAO), телескоп Канада-Франция-Гавайи (CFHT) и другие).
- Обзор GLASS изучает глубоко линзированное скопление галактик Abell 2744, также известное как скопление Пандоры. Это гигантское скопление галактик, результат одновременного столкновения по меньшей мере четырёх отдельных небольших скоплений галактик, происходившее в течение 350 миллионов лет. Галактики в скоплении составляют менее пяти процентов его массы, газ (около 20%) настолько разогрет, что он светится только в рентгеновском диапазоне. Тёмная материя составляет около 75% массы скопления.
Это скопление также демонстрирует радиогало наряду с несколькими другими скоплениями Abell. Оно имеет сильное центральное гало, вместе с вытянутым хвостом, который может оказаться как реликтовым излучением, так и расширением центрального гало. - Коллаборация CEERS, «Научный обзор космической эволюции раннего выпуска», обнаружила CEERS-93316 — галактику с большим спектроскопическим красным смещением z=4,9. Примечательно, что первоначально сообщаемое красное смещение было фотометрическим (z = 16,4), что сделало бы CEERS-93316 самой ранней и самой удалённой из известных наблюдаемых галактик. Расстояние до галактики CEERS-93316 составляет 12,6 миллиарда лет, а из-за расширения Вселенной современное расстояние до неё составляет 25,7 миллиарда световых лет.
Этот кандидат в галактики мог появиться через рекордные ~240 млн лет после Большого взрыва. Но чтобы перейти от «кандидата в галактики» к «подтверждённой галактике», необходимы спектроскопические данные: данные, которые отсутствовали во всех ранних релизах. Получив разрешение на свободное использование времени телескопа от офиса директора Уэбба, команда CEERS, совместно с командой из Эдинбурга, взяла спектроскопические данные JWST в пятницу, 24 марта 2023 года. И вот, что они обнаружили.
Уэбб может видеть дальше, чем Хаббл или любой наземный оптический/инфракрасный телескоп, но это потому, что он очень большой и оптимизирован для работы с длинными волнами. Чем дальше мы смотрим, тем больше расширяется Вселенная с момента излучения света галактики до момента его попадания в наши инструменты. Большее расширение означает, что свет становится более красным — более длинноволновым — и, следовательно, требует таких обсерваторий, как Уэбб, чувствительных к этим длинным волнам.
Но заглядывать на большие расстояния — значит заглядывать дальше в прошлое, ближе к моменту горячего Большого взрыва. А поскольку Вселенная родилась с совсем небольшими флуктуациями плотности на уровне 1/30 000, для формирования первых звёзд потребовалось значительное количество времени — возможно, десятки или даже сотни миллионов лет, а для появления и роста первых галактик, возможно, ещё больше.
Мы примерно представляем себе, что можем увидеть по мере того, как заглядываем в прошлое Вселенной всё дальше и дальше. В какой-то момент мы должны найти первую и самую раннюю яркую, большую, светящуюся галактику, а ещё мы должны увидеть, как количество таких галактик по мере приближения к пределу видимости. Дальше в прошлом мы должны найти только более мелкие и менее развитые галактики, число и плотность которых будет уменьшаться, пока мы не найдём самую первую из них. Ещё дальше мы должны увидеть только отдельные звёздные скопления и протогалактики, которые должны быть чрезвычайно голубыми и примитивными, и их опять же должно быть тем меньше, чем дальше мы заглядываем. И, наконец, должно было существовать то время, когда появлялись самые первые звёзды и звёздные скопления, а до этого не должно быть никаких источников света — за исключением остаточного свечения Большого взрыва.
Когда мы заглядываем в эти глубины Вселенной и рассматриваем эти галактики, мы как бы спрашиваем Вселенную: «Как ты выросла и стала такой, какая ты есть сегодня?». Учитывая, что у нас есть модель Вселенной — смесь тёмной материи, нормальной материи, тёмной энергии и немного излучения — мы можем предсказать то, что мы увидим во Вселенной в любой момент её эволюции. Наблюдение за такими далёкими объектами с помощью Уэбба, его спектроскопических возможностей, позволяет нам проверить эту модель и понять, действительно ли мы так хорошо понимаем Вселенную, в которой живём, или нам придётся пересмотреть нашу картину космоса.
До появления Уэбба космический рекордсмен нашёл телескоп Хаббл, причём он оказался чрезвычайно близко к крайним пределам самых оптимистичных оценок инструментальных возможностей телескопа. Эта галактика, известная как GN-z11, находилась на красном смещении 11, что соответствует возрасту Вселенной ~400 миллионов лет. Хаббл разглядел её благодаря удачному стечению трёх обстоятельств.
- В течение срока службы «Хаббл» неоднократно проходил техническое обслуживание, а установка в 2002 году камеры Advanced Camera for Surveys позволила расширить обзор в инфракрасном диапазоне по сравнению с первоначальными характеристиками.
- Сам объект, GN-z11, был расположен вдоль линии наблюдения, вдоль которой нейтральной материи гораздо меньше, чем в среднем: это свидетельство того, что этот регион был реионизован раньше, чем соседние.
- Мы смогли получить спектр этого объекта, разделив свет на составляющие его длины волн и выявив ключевую особенность, позволяющую однозначно определить его расстояние: принадлежность к галактикам лаймановского разрыва.
GN-z11
Хотя у каждой галактики свой уникальный спектральный «отпечаток», который указывает, какие атомы и с каким уровнем ионизации в ней есть, любая галактика богата водородом, каждый атом водорода имеет одинаковый набор частот излучения и поглощения, и самой яркой особенностью водорода всегда будет линия Лайман-α: переход водорода от n=2 к n=1, от первого возбуждённого состояния до основного состояния. Найдите эту особенность — или, для галактик с высоким красным смещением, найдите место, где эта особенность усекается из-за поглощения нейтральным водородом на переднем плане, то есть, происходит называемый «разрыв Лаймана» — и вы точно определите нужное галактическое расстояние.
На картинках выше — спектры, полученные JADES и прибором JWST NIRSpec для четырёх наиболее удалённых галактик, обнаруженных до сих пор в ходе исследования JADES. Лаймановский разрыв, надёжно идентифицированный для каждой из четырёх галактик, определяет расстояние и красное смещение вне всяких сомнений, делая JADES-GS-z13–0 текущим космическим рекордсменом среди самых удалённых галактик. JADES Collaboration, E. Curtis-Lake et al., preprint, 2022.
Но один из самых больших и глубоких обзоров Вселенной, сделанных JWST, по крайней мере, на данный момент, получен в результате работы коллаборации CEERS: Cosmic Evolution Early Release Science Survey. Обследуя очень большой участок неба (по крайней мере, по сравнению с небольшим полем зрения Уэбба) площадью 100 квадратных угловых минут, CEERS ставит своей целью фотометрическое наблюдение необычайного количества галактик в этом поле. Цель заключается в том, чтобы посредством этого фотометрического обзора выявить ряд кандидатов в галактики, которые могут быть одними из самых ранних и необычных галактик во Вселенной, а затем за лучшими из кандидатов можно будет проследить с помощью спектроскопических возможностей Уэбба.
Одна из самых ранних и интересных галактик, обнаруженных в поле CEERS, известна как «галактика Каллума», поскольку она была впервые отмечена группой авторов под руководством Каллума Доннана, и её предполагаемое фотометрическое красное смещение составило 16,4, что стало бы колоссальным рекордом. Это соответствует тому, что эта галактика появилась всего через 240 миллионов лет после Большого взрыва, и такая яркая и большая галактика, появившаяся так рано, станет настоящим вызовом для многих аспектов формирования структуры.
Среди других ярких объектов — галактика Мейзи, галактика-кандидат с фотометрическим красным смещением 12, а также источник, известный как CEERS-DSFG-1, который, как оказалось, находится на красном смещении 5, но может оказаться и на гораздо более высоком.
Было также несколько галактик-кандидатов с красными смещениями 8, 10 и даже немного выше. Но без спектроскопии мы не можем доверять ни одной из них. Фотометрия отлично подходит для определения грубых свойств галактики и поиска галактик-кандидатов, но на таких больших расстояниях мы пока не можем точно определить их спектральные свойства на основе одной лишь фотометрии.
Итак, какие главные выводы можно сделать из полученных коллаборацией CEERSи эдинбургской группой результатов?
Большие, богатые популяции галактик и, возможно, даже скопления и группы галактик появились в большом количестве и потенциально с высокой плотностью всего через ~1 миллиард лет после Большого взрыва, а возможно, и раньше.
В очень ранней Вселенной было огромное количество ярких и развитых галактик, богатых тяжёлыми элементами: всего через 330–650 миллионов лет после Большого взрыва. Многие, а вполне возможно и большинство «кандидатов в галактики», идентифицированных фотометрически в этом диапазоне, окажутся находящимися именно на таких больших космических расстояниях.
Все эти галактики, которые мы сегодня регулярно находим в большом количестве с помощью данных Уэбба, ещё 9 месяцев назад побили бы все космические рекорды. Однако мы ещё не нашли во Вселенной галактик возрастом до ~300 миллионов лет. Они должны быть там — хотя они могут быть меньше и тусклее, чем галактики, изображения которых мы получили до сих пор.
Мы видим, как галактики растут на ранних стадиях развития, и как они не попадают в привычные чистые категории типа «пыльная, звездообразующая галактика» или «квазар», а на ранних стадиях развития довольно часто проявляют гибридные свойства.
И, что, возможно, наиболее важно, мы находим эти галактики CEERS фотометрически, всего за один час наблюдений Уэбба для каждой галактики. Только представьте себе, что мы можем найти с помощью настоящего обзора «глубокого поля»: когда съёмке одного участка неба будет посвящено много дней подряд.
Мы только начинаем находить самые ранние звёзды и галактики во Вселенной, и это было главной научной целью Уэбба: узнать, как росла Вселенная. Эти новейшие находки подтверждают и обогащают нашу стандартную картину Вселенной и ещё на один шаг приближают нас к целостной картине всей космической истории: от Большого взрыва до наших дней.
Выиграй телескоп и другие призы в космическом квизе от RUVDS. Поехали?
