Хаббл является рекордсменом, обнаружив галактику, когда возраст Вселенной составлял всего 3% от ее возраста. Всего через несколько лет Джеймс Уэбб разрушит его.
Один из величайших научных уроков 20-го века заключается в том, что куда бы вы ни отправились во Вселенной, вам не скрыться от сверкающих галактик, населяющих все пространство. Во всех направлениях, на всех расстояниях, если вы посмотрите достаточно глубоко, глаза вашего телескопа откроют впечатляющую коллекцию света, исходящего от миллиардов и миллиардов световых лет от нас. С момента Большого взрыва прошло более 13,8 миллиардов лет, и все это время Вселенная расширялась, а гравитация притягивала каждый квант массы к каждому другому. К настоящему времени видимая часть нашей Вселенной содержит 2 триллиона галактик.
Ключевой задачей современных астрономов является поиск максимально удаленного объекта. Текущий рекордсмен впечатляет, но он также должен упасть в ближайшем будущем. Вот наука о том, как это сделать.
Первый шаг к поиску самой далекой галактики - просто заглянуть в кажущуюся пустой область космоса как можно глубже. Это означает сбор максимально возможного количества света с максимально возможным разрешением, что позволит вам определить структуру того, что вы пытаетесь просмотреть.
Наши космические рекордсмены вот уже целое поколение используют обсерватории, такие как космический телескоп Хаббл, для наблюдения за конкретной небольшой областью неба часами, днями или даже неделями в время. Если вы будете наблюдать за объектом в два раза дольше, вы сможете собрать в два раза больше света, что позволит вам обнаружить галактику, яркость которой вдвое меньше. Отображая одну и ту же область неба в течение 23 дней, XDF (eXtreme Deep Field) Хаббла доминирует как самое глубокое изображение части далекой Вселенной.
Но это не то место, где мы нашли самую далекую галактику из всех, несмотря на то, что потратили все свое время и энергию на просмотр этой крошечной области космоса. Конечно, мы наблюдали колоссальные 5 500 галактик на крохотной площади, составляющей всего 1/32 000 000 всего неба, включая многочисленные галактики, находящиеся в десятках миллиардов световых лет от нас.
Благодаря наблюдениям, подобным этому, мы смогли определить некоторые впечатляющие факты, подтверждающие нашу картину Вселенной. В частности, мы узнали, что:
- отдаленные галактики меньше и менее массивны, чем современные, что указывает на то, что они сливаются и растут со временем,
- они голубее по цвету и по своей природе более ярки, что указывает на то, что они чаще образовывали новые звезды в ранние времена,
- и в далекой Вселенной меньше эллиптических и больше спиралей и нерегулярных, что говорит нам о том, что современные галактики достаточно развиты.
Кроме того, мы узнали, что большинство галактик, которые, как мы ожидаем, там будут, еще не были замечены нашими нынешними обсерваториями, поскольку они слишком тусклые и далекие для телескопов нынешнего поколения. раскрыть.
Вы также могли уловить тревожный факт: Вселенной всего 13,8 миллиардов лет, но самые далекие галактики находятся в десятках миллиардов световых лет от нас. Это не опечатка; это связано с тем, что Вселенная расширяется. Когда далекая галактика излучала свет в прошлом, она находилась на определенном расстоянии от нас в момент излучения. Но по мере того, как свет движется к нам, время идет, и ткань пространства растягивается и расширяется. Далекая галактика, даже после того, как свет покинул ее, продолжает удаляться от нас. Сам свет по-прежнему движется со скоростью света, но ему нужно пройти больше места, и он сам растягивается за счет расширения Вселенной. К тому времени, когда он прибыл, он путешествовал более 13 миллиардов лет, но объект, который его излучал, теперь находится примерно в 30 миллиардах световых лет от нас, и свет стал более красным и более длинным, чем когда он был впервые испущен.
Наконец, сама Вселенная развивалась с течением времени. На самых ранних стадиях горячего Большого взрыва были только свободные частицы, поскольку все было слишком энергично, чтобы образовать стабильную связанную структуру любого типа. По мере его расширения и охлаждения мы образовывали протоны, атомные ядра и нейтральные атомы. В конце концов эти нейтральные атомы объединились под действием силы гравитации, чтобы сгуститься и сгруппироваться вместе, что привело к образованию первых звезд, а позже и первых галактик.
Однако при просмотре первых галактик возникает еще одна проблема: они все еще погружены в море нейтральных атомов. И точно так же, как мы видим сегодня в нашей собственной галактике, нейтральные атомы блокируют видимый свет, излучаемый звездами. Это горячее ионизирующее ультрафиолетовое излучение, которое испускают новообразованные звезды, выбивает электроны из этих атомов и в конечном итоге повторно ионизует Вселенную, но этого не произойдет, пока Вселенной не исполнится более полумиллиарда лет..
В общем, есть три больших препятствия, которые необходимо преодолеть, пытаясь найти самую далекую из возможных галактик:
- преодоление трудностей, связанных с видением сверхслабых, сверхдальних объектов,
- компенсация расширения Вселенной и его влияния на звездный свет, и
- найти способ видеть сквозь нейтральные атомы, блокирующие звездный свет вскоре после его испускания.
Нам очень, очень повезло найти нынешнего рекордсмена: галактику GN-z11.
Это было увеличено из-за случайного совпадения со скоплением галактик на переднем плане, которое создало гравитационную линзу. Он оказался на линии прямой видимости, которая по счастливой случайности уже была реионизирована. И, возможно, он находился в той области неба, которую космический телескоп Хаббла случайно увидел с помощью своей модернизированной инфракрасной камеры.
Но если копнуть глубже, мы не сможем полагаться на то, что такая удача повторяется или даже расширяется. Вместо этого мы воспользуемся комбинацией из трех техник, чтобы увеличить наши шансы пойти глубже, чем когда-либо прежде. Вот какие они.
1.) Создание более крупных обсерваторий с более длинными волнами для наблюдения за далекой ВселеннойПостроить больший телескоп кажется самым очевидным, и это, безусловно, поможет. Из космоса переход от Хаббла (диаметр 2,4 м) к Джеймсу Уэббу (диаметр 6,5 м) означает более чем семикратное увеличение светосилы. С земли переход от Кека (11 м) к Гигантскому Магеллановому Телескопу (25 м) или E-ELT (39 м) - это аналогичное увеличение. Наблюдая за одним и тем же участком неба в течение дня, а не недели, мы можем собрать такое же количество света с еще большим разрешением.
Но, наблюдая в инфракрасном диапазоне, мы можем получить тот свет с глубоким красным смещением, к которому Хаббл больше не чувствителен. В частности, в случае с Джеймсом Уэббом мы можем достичь таких длинных волн (средний ИК-диапазон), что большая часть видимого нами смещенного в красную сторону звездного света будет проходить прямо через промежуточные, блокирующие свет нейтральные атомы. Это самый простой способ выиграть.
2.) Не ищите только красный свет; использовать спектроскопию для автоматического определения расстоянияКогда все, что мы делаем, это ищем слабые объекты с сильно смещенным в красную сторону светом, мы рискуем обмануть самих себя. Многие из обнаруженных нами сверхдальних галактик-кандидатов оказались самозванцами: галактиками с умеренным красным смещением, которые на самом деле краснее, чем мы ожидали.
Единственный способ подтвердить расстояние до этих объектов - разбить их свет на разные длины волн и найти ключевые особенности, указывающие на атомное поглощение или излучение. К счастью, это одна из задач Джеймса Уэбба и наземных телескопов следующего поколения. В случае с Джеймсом Уэббом прибор Канадского космического агентства для формирования изображений в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевого спектрографа (NIRISS) будет выполнять широкопольную спектроскопию, интерферометрию с маскированием апертуры и широкополосную визуализацию по всему полю зрения, что должно выявить самые ранние звезды и галактики.
3.) Местоположение, местоположение, местоположение Не просто используйте лучший телескоп с лучшим разрешением, большей светосилой, превосходным охватом длин волн и лучшим оборудованием, чтобы максимизировать информацию, которую мы можем извлечь из каждого фотона. Кроме того, используйте естественные лупы, которые предоставляет нам Вселенная: гравитационные линзы, обеспечиваемые массивными галактиками, квазарами и скоплениями галактик.
Каждая масса во Вселенной изгибает ткань пространства, и это создает области, окружающие эти гигантские массы, где фоновые объекты будут линзироваться, растягиваться и увеличиваться. Во многих случаях яркость объектов, которые в противном случае были бы невидимыми, может увеличиваться более чем в 10 раз. Многие исследования нанесли на карту гравитационные поля вокруг большого количества массивных скоплений галактик; Взглянув сюда, вы отправитесь дальше, чем когда-либо прежде.
Когда-то в далеком прошлом, вероятно, когда Вселенная была менее чем на 2% от своего нынешнего возраста, самая первая из всех галактик образовалась, когда массивные звездные скопления слились вместе, что привело к беспрецедентному всплеску звездообразования. Свет высокой энергии от этих звезд изо всех сил пытается вырваться наружу, но свет с большей длиной волны может проникать дальше через нейтральные атомы. Расширение Вселенной приводит к красному смещению всего света, растягивая его далеко за пределы того, что Хаббл мог потенциально наблюдать, но инфракрасные телескопы следующего поколения должны быть в состоянии уловить его. И если мы будем наблюдать правильную часть неба с помощью правильных инструментов в течение достаточно долгого времени, чтобы выявить правильные детали об этих объектах, мы отодвинем космическую границу первых галактик еще дальше.
Где-то самая далекая и первая галактика ждет своего открытия. По мере приближения 2020-х годов мы можем быть уверены, что не только побьем нынешнего космического рекордсмена, но и точно знаем, как мы это сделаем.