Еще до появления космического телескопа Джеймса Уэбба разгораются споры о том, когда образовались первые звезды.
Сколько бы ни заглядывали наши самые мощные телескопы, мы так и не нашли предела, за которым звезды и галактики перестают существовать. Существует большой разрыв между первой обнаруженной нами галактикой - GN-z11, когда Вселенной было всего 400 миллионов лет - , и остаточным свечением Большого Взрыва, когда Вселенной было 380 000 лет. Между тем мы знаем, что первые звезды должны быть там, но у нас нет возможности напрямую видеть в этом диапазоне. Пока мы не получим космический телескоп Джеймса Уэбба, у нас будут только косвенные доказательства, чтобы направлять нас.
Но что касается косвенных доказательств, мы только что получили огромный импульс. Ученые только что подтвердили существование второй по удаленности галактики из всех: MACS1149-JD1, свет которой исходит, когда Вселенной было 530 миллионов лет: менее 4% от ее нынешнего возраста. Но что примечательно, так это то, что мы смогли обнаружить там кислород, что стало первым случаем, когда мы увидели этот тяжелый элемент так давно. Из проведенных нами наблюдений мы можем сделать вывод, что возраст этой галактики составляет не менее 250 миллионов лет, что отодвигает прямые свидетельства существования первых звезд еще дальше, чем когда-либо.
Исходя из того, из чего состоит Вселенная: 68% темной энергии, 27% темной материи, 4,9% обычной материи, 0,1% нейтрино и немного (~0,01%) излучения, мы можем смоделировать, как и когда должны образовываться звезды и галактики. Поскольку мы можем непосредственно измерить первоначальные свойства, которыми он обладал, когда ему было 380 000 лет, все, что нам нужно сделать, - это подключить законы физики и развить его во времени. Когда мы это делаем, наши лучшие симуляции показывают замечательную историю создания космической паутины структур с течением времени, кульминацией которой являются эволюционировавшие галактики и группы/скопления галактик, разделенные огромными космическими пустотами в этой расширяющейся, ускоряющейся Вселенной.
Если законы физики выполняются, как ожидается, мы ожидаем, что во Вселенной будет период - тёмные века - когда материя гравитационно втягивается в эти сверхплотные области, но ещё не коллапсировала или сократились достаточно, чтобы сформировать звезды. Для формирования самых первых звезд может потребоваться от 50 до 200 миллионов лет, а затем сразу должно произойти большое количество звездообразования. Самые маленькие звездные скопления сольются в более крупные и, в конечном счете, в протогалактики: строительные блоки галактик, которые мы видим сегодня. В конце концов, примерно через 550 миллионов лет после Большого взрыва сформируется достаточное количество звезд, чтобы Вселенная очистилась от блокирующих свет нейтральных атомов, и мы сможем увидеть все с помощью достаточно мощного оптического телескопа.
Но когда на самом деле зажглись эти первые звезды? Каковы их свойства и чем они отличаются от сегодняшних звезд? Как быстро они выгорают и когда формируются первые звезды с каменистыми планетами и/или потенциальные ингредиенты для жизни? И есть ли предпочтительный регион космоса, где все это происходит?
До этого момента мы могли вернуться примерно на 400 миллионов лет назад после Большого взрыва с помощью больших обсерваторий НАСА, обнаружив молодые галактики, которые уже достаточно эволюционировали. Косвенно, совсем недавно мы смогли измерить специфическую сигнатуру, указывающую на то, что звезды формировались еще раньше: когда Вселенной было от 180 до 260 миллионов лет. Мы думали, что нам придется подождать, пока не появится космический телескоп Джеймса Уэбба, чтобы подтвердить это.
Но новое исследование, опубликованное 16 мая 2018 года в журнале Nature, возможно, только что дало нам необходимое подтверждение того, что звезды действительно существовали в те далекие времена. Есть ряд кандидатов в сверхдальние галактики: галактики, чьи ультракрасные (или даже инфракрасные) цвета указывают на то, что они, вероятно, очень далеко. Но пока эти расстояния не подтверждены, есть шанс, что они просто нарушители. На самом деле, ранее на этой неделе было показано, что одна из самых ранних галактик-кандидатов является именно таким вторжением; это случается часто и подчеркивает, почему мы требуем подтверждения.
Но галактика MACS1149-JD1 действительно оказалась так далеко, как мы думали, что делает ее второй по удаленности галактикой из когда-либо виденных. И в нем мы не просто нашли ингредиенты, которые, как мы ожидаем, должны были быть у первых звезд: водород и гелий. Кислород тоже был там, и хотя это третий по распространенности элемент во Вселенной, кислород не был создан во время Большого Взрыва, а только после того, как первые поколения звезд живут и умирают.
Надежная сигнатура кислорода и наблюдаемая яркость галактики, а также сигнатуры водорода, которые помогли точно определить расстояние до нее, наблюдались комбинацией четырех удаленных обсерваторий: ALMA, VLT ESO, Хаббл и Спитцер. Яркость указывает на то, что галактика формирует звезды в течение некоторого времени, поскольку для достижения наблюдаемых уровней требуется их наращивание с течением времени. Это создает картину космического рассвета для этой галактики, которая согласуется со всем остальным известным: где первые звезды, которые были созданы для создания этой галактики, образовались всего через 250 миллионов лет после Большого взрыва.
Это представляет собой еще один шаг в ранее неизведанные космические воды. Никогда раньше мы не видели столь отдаленную галактику с подтвержденным населением зрелых звезд внутри нее. Как утверждает Ричард Эллис, соавтор нового исследования:
Определение того, когда произошел космический рассвет, сродни «Святому Граалю» космологии и формирования галактик. С помощью MACS1149-JD1 нам удалось исследовать историю за пределами того времени, когда мы действительно можем обнаруживать галактики с помощью современных средств. С новым оптимизмом мы все ближе и ближе становимся свидетелями непосредственного рождения звездного света. Поскольку все мы состоим из переработанного звездного материала, это действительно поиск нашего собственного происхождения.
Впервые мы можем успешно сделать вывод о существовании галактик на сотни миллионов лет раньше, чем мы можем их непосредственно обнаружить. Мы как никогда близки к ответу на вопрос, когда самые первые звезды и галактики возникли из тьмы ранней Вселенной. И когда в 2020 году будет запущен космический телескоп Джеймса Уэбба, мы точно будем знать, чего ожидать с точки зрения ответов на один из величайших космических вопросов.