Астрономы подтвердили наличие самой слабой галактики в известной Вселенной

Вселенная, в которой мы живем, прозрачна, и свет звезд и галактик ярко сияет на ясном темном фоне.

Но так было не всегда — в первые годы своего существования Вселенная была заполнена туманом из атомов водорода, который скрывал свет от самых ранних звезд и галактик.

Считается, что интенсивный ультрафиолетовый свет от первых поколений звезд и галактик прожег водородный туман, преобразив Вселенную в то, что мы видим сегодня.

Хотя у предыдущих поколений телескопов не было возможности изучать эти ранние космические объекты, астрономы теперь используют превосходную технологию космического телескопа Джеймса Уэбба для изучения звезд и галактик, которые образовались сразу после Большого взрыва.

Я астроном, изучающий самые далекие галактики во Вселенной используя лучшие в мире наземные и космические телескопы.

Используя новые наблюдения телескопа Уэбба и явление, называемое гравитационным линзированием, моя команда подтвердила существование самой слабой галактики, известной в настоящее время в ранней Вселенной.

Галактика, названная JD1, видна такой, какой она была, когда Вселенной было всего 480 миллионов лет, или 4 процента ее нынешнего возраста.

Краткая история ранней Вселенной

Первый миллиард лет жизни Вселенной был решающим периодом в ее эволюции. В первые мгновения после Большого взрыва материя и свет были связаны друг с другом в горячем густом «супе» элементарных частиц.

Однако через долю секунды после Большого взрыва Вселенная расширялась чрезвычайно быстро.

Это расширение в конечном итоге позволило Вселенной достаточно остыть, чтобы свет и материя отделились от своего «супа» и – примерно 380 000 лет спустя – образовали атомы водорода.

Атомы водорода появились в виде межгалактического тумана, и без света от звезд и галактик Вселенная была темной. Этот период известен как космические темные века.

Появление первых поколений звезд и галактик через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва залило Вселенную чрезвычайно горячим ультрафиолетовым светом, который сжег – или ионизировал – водородный туман. Этот процесс породил прозрачную, сложную и прекрасную Вселенную, которую мы видим сегодня.

Астрономы, подобные мне, называют первый миллиард лет существования Вселенной, когда этот водородный туман сгорал, эпохой реионизации.

Чтобы полностью понять этот период времени, мы изучаем, когда образовались первые звезды и галактики, каковы были их основные свойства и способны ли они производить достаточно УФ-излучения, чтобы сжечь весь водород.

The поиск слабых галактик в ранней Вселенной

Первым шагом к пониманию эпохи реионизации является определение и подтверждение расстояний до галактик, которые, по мнению астрономов, могут быть ответственны за этот процесс.

Поскольку свет распространяется с конечной скоростью, требуется время, чтобы добраться до наших телескопов, поэтому астрономы видят объекты такими, какими они были в прошлом.

Например, свет из центра нашей галактики, Млечного Пути, занимает около 27 000 лет, чтобы достичь нас на Земле, поэтому мы видим это таким, каким оно было 27 000 лет назад. Это означает, что если мы хотим заглянуть в самые первые мгновения после Большого Взрыва (Вселенной 13,8 миллиарда лет), мы должны искать объекты на экстремальных расстояниях.

Потому что галактики, находящиеся в этом период времени настолько далеки, что они кажутся нашим телескопам чрезвычайно слабыми и маленькими и излучают большую часть своего света в инфракрасном диапазоне. Это означает, что астрономам нужны мощные инфракрасные телескопы, такие как Уэбб, чтобы найти их.

До Уэбба практически все далекие галактики, обнаруженные астрономами, были исключительно яркими и большими просто потому, что наши телескопы не были достаточно чувствительными, чтобы увидеть галактики слабее и меньше.

Однако именно последняя популяция гораздо более многочисленна, репрезентативна и, вероятно, будет основной движущей силой процесса реионизации, а не яркие галактики.

Итак, астрономы должны изучить эти слабые галактики более подробно. Это все равно, что пытаться понять эволюцию людей, изучая целые популяции, а не нескольких очень высоких людей. Позволив нам увидеть слабые галактики, Уэбб открывает новое окно в изучение ранней Вселенной.

Типичная ранняя галактика

JD1 — одна из таких «типичных» слабых галактик. Она была обнаружена в 2014 году с помощью космического телескопа Хаббл как подозрительная далекая галактика. Но у Хаббла не было возможностей или чувствительности, чтобы подтвердить его расстояние — он мог сделать только обоснованное предположение.

Маленькие и слабые близлежащие галактики иногда могут быть ошибочно приняты за далекие, поэтому астрономы должны быть уверены в достоверности информации. их расстояния, прежде чем мы сможем заявить об их свойствах. Таким образом, далекие галактики остаются «кандидатами» до тех пор, пока они не будут подтверждены.

Телескоп Уэбба, наконец, получил возможность подтвердить это, и JD1 был одним из первых серьезных подтверждений Уэббом кандидата в чрезвычайно далекие галактики, обнаруженного Хабблом. . Это подтверждение делает ее самой слабой галактикой, когда-либо виденной в ранней Вселенной.

Чтобы подтвердить JD1, международная группа астрономов и я использовали спектрограф ближнего инфракрасного диапазона Уэбба, NIRSpec, чтобы получить инфракрасный спектр галактики. .

Спектр позволил нам точно определить расстояние от Земли и определить ее возраст, количество образовавшихся на ней молодых звезд и количество произведенной ею пыли и тяжелых элементов.

Гравитационное линзирование, увеличительное стекло природы

Даже Уэббу было бы невозможно увидеть JD1 без помощи природы. JD1 находится за большим скоплением близлежащих галактик под названием Abell 2744, чья совокупная гравитационная сила изгибает и усиливает свет от JD1.

Этот эффект, известный как гравитационное линзирование, заставляет JD1 казаться больше и в 13 раз ярче. чем обычно.

Без гравитационного линзирования астрономы не увидели бы JD1, даже с Уэббом.

Сочетание гравитационного увеличения JD1 и новых изображений с другого близлежащего телескопа Уэбба Инфракрасные инструменты NIRCam позволили нашей команде изучить структуру галактики с беспрецедентной детализацией и разрешением.

Это не только означает, что мы, астрономы, можем изучать внутренние области ранних галактик, но и может начать определять, были ли такие ранние галактики маленькими, компактными и изолированными источниками, или же они сливались и взаимодействовали с соседними галактиками.

Изучая эти галактики, мы прослеживаем их до строительных блоков, которые сформировали Вселенную. и породил наш космический дом.

Гвидо Робертс-Борсани, научный сотрудник в области астрофизики, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.