Они могли возникнуть менее чем через 200 миллионов лет после Большого Взрыва, но тогда Вселенная была совсем другим местом.
Когда вы сегодня смотрите за пределы Млечного Пути, насколько мы когда-либо могли видеть, галактики есть абсолютно везде. Даже если вы возьмете темный участок неба без звезд, галактик или какой-либо известной материи, если вы посмотрите достаточно глубоко, вашей наградой будут тысячи и тысячи галактик. В общей сложности в наблюдаемой Вселенной насчитывается около двух триллионов галактик, простирающихся на десятки миллиардов световых лет во всех направлениях.
Тем не менее, несмотря на все галактики, которые мы видели, мы никогда не заходили достаточно далеко назад, чтобы встретить самые первые из когда-либо созданных во Вселенной. Нынешний рекордсмен, несмотря на то, что его свет исходил от того времени, когда Вселенной было всего 400 миллионов лет - 3% от ее нынешнего возраста , уже эволюционировал и полон старых звезд. Первые галактики появились еще до того, как мы их исследовали. Но если нам повезет, мы скоро туда доберемся. Вот какими должны быть эти галактики.
Галактики, которые мы видим сегодня, старые. Они массивны, они огромны и полны самых разных звезд. По большей части там много тяжелых элементов: примерно 1-2% всех атомов, присутствующих в галактиках (по весу), не являются водородом или гелием. Это очень важно, учитывая, что Вселенная родилась без углерода, азота, кислорода, кремния, серы, железа и практически любых элементов, которые мы находим сегодня в звездах и галактиках.
Но потребовались миллиарды лет и бесчисленные поколения звезд, чтобы они появились сегодня. Если мы оглянемся на далекую Вселенную, мы также оглянемся назад и обнаружим, что тогда галактики сильно отличались от того, какими они выглядят сегодня. Они были меньше, голубее, многочисленнее и беднее тяжелыми элементами, чем современные галактики. За всю историю Вселенной галактики существенно эволюционировали.
Но как образовались самые первые? И какой была Вселенная, когда они это сделали?
В космической истории, которая привела их к нам, сначала произошел ряд важных шагов. Материя победила антиматерию; атомные ядра, а затем образовались нейтральные атомы; первое поколение звезд родилось, умерло и дало начало второму поколению звезд. Но даже после всех этих шагов галактик вокруг по-прежнему не было.
Простая причина? Космические масштабы наименьшего объема гравитационно коллапсируют первыми, в то время как более крупные масштабы требуют больше времени.
Подумайте о двух важных факторах: гравитации и скорости света. Гравитация - единственный механизм, который может сводить воедино все большие и большие сгустки материи. Однако она ограничена скоростью, с которой объекты могут расти под действием гравитации.
Представьте, что вы начинаете с небольшой массы сверх любой средней плотности. Если у вас есть какая-то дополнительная масса для притяжения, которая находится на расстоянии светового года, этой материи потребуется целый год, чтобы почувствовать силу массы, поскольку гравитационная сила распространяется только со скоростью света. Но если в сотне, миллионе или миллиарде световых лет от вас есть дополнительная масса, вам придется подождать, пока пройдет все это дополнительное время. Гравитация не мгновенна; он движется только со скоростью света.
Так что же происходит, когда вы, наконец, соберете большое количество массы в одном месте в результате гравитационного коллапса ваших первых звезд и звездных скоплений? Они притягивают друг друга и, наконец, могут делать это эффективно.
Но время одного массивного звездного скопления, притягивающего другое, будет намного больше, чем время формирования отдельных звездных скоплений. Вместо того, чтобы смотреть на объемы пространства со стороной в несколько тысяч световых лет - масштабы того, что может коллапсировать, образуя звездное скопление - - вам нужно смотреть на масштабы в десятки или сотни раз большие, чтобы собрать воедино достаточно материи для начать делать первые галактики.
Но помните также, что первоначальная избыточная плотность, которая приводит как к звездным скоплениям, так и к галактикам, составляет всего одну часть примерно на 30 000, а это означает, что эта избыточная плотность должна расти в течение больших количеств время. Если гравитации требуется в десятки или сотни раз больше времени, чтобы добраться между звездными скоплениями, чем для отдельного скопления, вы можете опасаться, что для образования галактик требуется в десятки или сотни раз больше времени, чем для образования звезд.
К счастью, это неправда! Это занимает больше времени, но не настолько. Сила гравитационного притяжения кумулятивна, так что это похоже на запуск часов с опозданием. Часы «звездного скопления» запускаются через несколько миллионов лет после Большого взрыва; «галактические» часы отсчитываются, возможно, через десять миллионов лет после этого, и начинаются с недостатка: до коллапса им еще далеко.
Но это нормально! Так работает крупномасштабное структурообразование. У нас есть несовершенства плотности на всех масштабах, и они увеличиваются, как только проходит достаточно времени, чтобы гравитация притягивала материю на определенное расстояние.
Мы быстро формируем первые звездные скопления, примерно через 50-100 миллионов лет. Почти сразу после этого мы формируем второе поколение звезд, потому что первое поколение звезд живет и умирает очень быстро, вскоре после этого порождая новое поколение.
Тогда нам придется ждать десятки миллионов лет, пока сформируются первые галактики, поскольку для этого требуется, чтобы звездные скопления притягивались друг к другу через бездну пустого пространства, где они, наконец, сливаются. И потребуется еще больше времени, чтобы возникли большие галактики, а затем группы галактик и скопления галактик.
Самая трудная задача при обнаружении этих первых галактик заключается в том, что во Вселенной еще не образовалось достаточно звезд, чтобы ионизировать все нейтральные атомы в межгалактическом пространстве. Протоны и электроны по-прежнему связаны друг с другом и останутся таковыми до тех пор, пока Вселенная не будет залита достаточно устойчивым ультрафиолетовым светом, чтобы навсегда выбить эти электроны из их атомов.
Это означает, что свет от первых звезд (и первых галактик) поглощается этими атомами; Вселенная по-прежнему непрозрачна. Самые ранние галактики, которые мы когда-либо видели, датируются 400 миллионами лет после Большого Взрыва и были обнаружены только потому, что они расположены на луче зрения, который по счастливой случайности является более ионизированным, чем обычно.
Однако мы можем сделать немного лучше. Мы наблюдали за множеством галактик несколько позже и смогли определить возраст звезд в них!
Галактика MACS1149-JD1 - вторая по удаленности из когда-либо обнаруженных галактик, свет от которой исходит через 530 миллионов лет после Большого взрыва. Тем не менее, когда мы наблюдаем это, мы обнаруживаем, что звездам внутри него примерно 280 миллионов лет, а это означает, что они образовались в результате массивного взрыва всего через 250 миллионов лет после Большого взрыва..
Эти массивные вспышки звездообразования происходят не просто потому, что у вас есть звездное скопление; они происходят, когда происходят большие слияния, приводящие к тому, что астрономы называют вспышкой звездообразования. Сталкивающийся газ вызывает коллапс материала, что может спровоцировать массовое образование новых звезд. Гораздо больше и мощнее, чем просто коллапсирующее звездное скопление, они должны означать настоящие первые галактики.
Они будут крупнее, содержать больше звезд, массивнее, ярче и оставят безошибочный след. Они отпечатаются во Вселенной. И этот отпечаток будет заметен.
Они не только начнут способствовать реионизации Вселенной, но везде, где они образуют звезды, мы обнаружим, что электроны рекомбинируют с их ионизированными ядрами. Это действие, когда оно происходит для атомов водорода, с вероятностью 50 % образует конфигурацию, в которой спины выровнены (вверх-вверх или вниз-вниз), и с вероятностью 50 % спины будут выровнены в противоположных направлениях (вверх-вниз). или вниз-вверх).
Конфигурации вверх-вниз или вниз-вверх более стабильны, хотя и немного. Если вы сформируете выровненную конфигурацию, она перейдет к антивыровненной конфигурации в масштабах времени около 10 миллионов лет. И когда он переходит, он испускает фотон с очень определенной длиной волны: 21 сантиметр.
Затем этот фотон путешествует по Вселенной, достигая наших глаз, смещенный в красную сторону расширением Вселенной. Ранее, в 2018 году, была опубликована, хотя и очень противоречивая, статья, в которой утверждалось, что эта подпись впервые обнаружена. Впечатляет, что временная шкала, когда эти первые галактики должны были образоваться, очень хорошо совпадает с этими наблюдениями.
Когда бы ни происходил «космический рассвет», когда бы ни прибывали эти первые галактики, каждое свидетельство указывает на график в 200-250 миллионов лет как на основное происхождение первых галактик.
Первым галактикам требовалось большое количество шагов, чтобы произойти сначала: им нужны были звезды и звездные скопления, чтобы сформироваться, и им нужна была гравитация, чтобы собрать эти звездные скопления вместе в более крупные комки. Но как только вы их создадите, они станут самыми большими структурами и могут продолжать расти, привлекая не только звездные скопления и газ, но и дополнительные маленькие галактики. Космическая паутина сделала свой первый крупный шаг вперед и будет продолжать расти и становиться все более сложной в течение сотен миллионов и миллиардов лет.
При этом области с меньшей начальной сверхплотностью будут продолжать расти, формируя звезды в первый (или во второй) раз там, где они не формировались ранее. Великая космическая история формирования структур происходит не сразу, а по кусочкам по всему космосу. Но с появлением первых галактик гонка за формирование галактик, подобных нашей, официально началась.
Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Как это было, когда начался Большой Взрыв?
- Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
- Как это было, когда бозон Хиггса придал Вселенной массу?
- Как это было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
- Как это было, когда мы потеряли последнюю часть нашей антиматерии?
- Как это было, когда Вселенная создала свои первые элементы?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала атомы?
- Каково было, когда во Вселенной не было звезд?
- Как это было, когда первые звезды начали освещать Вселенную?
- Как это было, когда погибли первые звезды?
- Как это было, когда во Вселенной образовалось второе поколение звезд?