Уловка Эйнштейна: ученые открыли «невидимую» галактику из ранней Вселенной

Вселенная возникла примерно 13,8 млрд лет назад. В течение почти 400 тыс. лет космос был непрозрачен. Это означает, что у нас нет прямых наблюдений за тем, что происходило в это время. Даже после того, как Вселенная стала прозрачной, прошло еще много времени, прежде чем сформировались первые звезды и галактики, оставив нам ограниченную информацию об этом периоде. Недавно ученые открыли одну из таких «невидимых» галактик ранней Вселенной, используя пространственно-временной трюк, предсказанный Эйнштейном.

После Большого взрыва Вселенная была похожа на горячий суп из частиц (то есть протонов, нейтронов и электронов). Когда она начала остывать, протоны и нейтроны начали объединяться в ионизированные атомы водорода (и немного гелия). Все они притягивали электроны, превращая их в нейтральные атомы, что впервые позволило свету свободно распространяться, поскольку он больше не рассеивался на свободных электронах. Вот так Вселенная стала более прозрачной.

Как именно выглядел первый свет (то есть звезды, которые сплавили существующие атомы водорода в большее количество гелия), и когда именно образовались эти первые звезды, неизвестно. Недавно ученые заметили странный и очень далекий объект, от которого исходил этот таинственный свет.

Исследователи сообщили, что найденная молодая звездообразующая галактика заполнена пылью и газом и образовалась через 2 млрд лет после Большого взрыва, то есть более 11 млрд лет назад, когда Вселенная была примерно в шесть раз меньше. Тусклый, далекий и забитый пылью объект почти невидим при любой длине волны света. Тем не менее гравитационный трюк, первоначально предсказанный Альбертом Эйнштейном, дал исследователям редкий взгляд на «невидимую» галактику.

Очень далекие галактики — это настоящие кладези информации о прошлой и будущей эволюции нашей Вселенной, как заявляет ведущий автор Марика Джульетти, астрофизик Международной школы перспективных исследований в Италии (SISSA). Однако изучать их сложно. Они очень компактны, и поэтому их трудно наблюдать. Кроме того, из-за расстояния мы получаем от них очень слабый свет.

Поскольку на траектории наблюдения встречается межзвездная пыль, невидимую галактику было трудно увидеть даже с помощью гравитационного линзирования. Вот почему исследователи использовали большой миллиметровый/субмиллиметровый массив Атакама (ALMA), набор из 66 радиотелескопов, находящихся в Чили.

Из-за того, что пыль поглощает и переизлучает свет, субмиллиметровые телескопы часто используются для наблюдения за пыльными небесными телами. Так, ALMA заглянул сквозь пыль и обнаружил молодую активную галактику, которая формирует звезды в 1000 раз быстрее, чем Млечный Путь.

Представьте себе свет, покидающий первые звезды и галактики почти 13,6 млрд лет назад и путешествующий сквозь пространство и время, чтобы добраться до наших телескопов. По сути, мы видим эти объекты такими, какими они были, когда свет впервые покинул их 13,6 млрд лет назад. К тому времени, когда этот свет достигает нас, его цвет или длина волны смещаются в сторону красного цвета, что мы называем «красным смещением».

Когда мы говорим об очень удаленных объектах, в игру вступает общая теория относительности Эйнштейна. На ее основе расширение Вселенной означает, что на самом деле растягивается пространство между объектами, заставляя их (галактики) удаляться друг от друга. Кроме того, любой свет в этом пространстве также будет растягиваться, сдвигая длину волны этого света в сторону более длинных волн. Это может сделать удаленные объекты очень тусклыми (или невидимыми) в видимом диапазоне длин волн света, потому что этот свет достигает нас в виде инфракрасного излучения.

Красное смещение означает, что свет, излучаемый этими первыми звездами и галактиками в виде видимого или ультрафиолетового света, на самом деле смещается в более красную сторону к тому времени, когда мы видим его здесь и сейчас. Для очень больших красных смещений (то есть самых удаленных от нас объектов) этот видимый свет обычно смещается в ближнюю и среднюю инфракрасную часть электромагнитного спектра. По этой причине, чтобы увидеть первые звезды и галактики, нам нужен мощный телескоп ближнего и среднего инфракрасного диапазона (например, телескоп Джеймса Уэбба).

Команда воспользовалась общей теорией относительности Эйнштейна для наблюдения за далекой галактикой. Исследователи получили возможность использовать массивные объекты как космическое увеличительное стекло для наблюдения за другими, более удаленными объектами, но только тогда, когда они правильно выстраиваются в линию.

Профессор Андреа Лапи, соавтор исследования, пришла к выводу, что далекие галактики молоды, компактны и содержат активное звездообразование, которое, скорее всего, скрыто большим количеством пыли. Более того, новая локация обладает очень богатым резервуаром молекулярного газа и является предшественником массивных покоящихся галактик, наблюдаемых во Вселенной. Поэтому она дает ценную информацию о процессах, ведущих к формированию и эволюции Вселенной.

Хотя ALMA может рассказать очень мало об этой молодой галактике, некоторые обсерватории, например, космический телескоп Джеймса Уэбба, однажды смогут раскрыть галактику более подробно. Изучение таких галактик помогает ученым понять раннюю Вселенную и то, как эволюционировали галактики, подобные нашей.

━━━━━

Анастасия Дегтярева