Кубанский государственный технологический университет

Раньше, дальше, краснее

24-01-2012
Галактика IOK-1 (красное пятнышко в центре желтых квадратов), самая далекая на сегодняшний день — 12,88 млрд световых лет от нас. Изображение с сайта www.subarutelescope.org

Американские и японские астрономы сообщили об открытии нескольких галактик, которые сформировались еще до того, как наше Мироздание получило шанс отпраздновать свой 750-миллионолетний юбилей (конечно, если бы было кому его отмечать). Основной вывод обоих исследовательских коллективов можно сформулировать буквально в нескольких словах: с одной стороны, такие галактики несомненно существовали, с другой — в зонах наблюдений их оказалось заметно меньше, чем можно было предположить. Эти результаты мы сейчас и обсудим.

Начнем с кое-каких технических деталей. В распоряжении астрономов имеется вполне точный метод измерения возраста сильно удаленных объектов, испускающих электромагнитное излучение. Расширение Вселенной приводит к увеличению длин (и, соответственно, уменьшению частот) любых электромагнитных волн — от радиоимпульсов до гамма-лучей. Причина этого явления давным-давно известна — старый добрый эффект Доплера. Определяя расположение каких-нибудь хорошо известных линий (например, излучения ионизированного водорода) в спектре далекой галактики или, скажем, квазара и сравнивая его с эталонными спектрами, можно с помощью довольно простых формул установить радиальную скорость этого объекта относительно Земли. Эта скорость практически точно совпадает со скоростью увеличения дистанции между ним и нашей Галактикой, обусловленного расширением Вселенной. Не сомневаюсь, что читатели знают название этого эффекта — космологическое красное смещение.

А как насчет возраста? Тут астрономам помогает знаменитый закон Хаббла, который устанавливает связь между взаимным расстоянием галактик (будем для определенности говорить именно о них) и скоростью их разбегания. Выглядит он очень просто: скорость равна дистанции между галактиками, умноженной на некую величину, которая называется параметром Хаббла. Этот параметр не постоянен (поэтому старое называние «постоянная Хаббла» неточно), однако характер его изменения от ранней юности Вселенной до наших дней неплохо известен.

10 самых далеких галактик, для которых измеренное красное смещение подтверждено результатами спектрографии (по состоянию на 14.09.2006). Таблица с сайта www.subarutelescope.org

С помощью закона Хаббла и данных спектрального анализа ученые вычисляют дистанцию между Землей и далекими источниками электромагнитного излучения. Сравнивая эти результаты с общепринятой теоретической моделью расширения Космоса, можно определить, когда именно были испущены дошедшие до Земли фотоны. За начало отсчета принято брать момент Большого взрыва, который 13,7 миллиардов лет назад дал начало тому Миру, в котором мы имеем счастье (или несчастье, это уж как угодно читателю) обитать. Стоит отметить, что, согласно новейшим моделям Мегавселенной, число таких миров по порядку величины выражается недоступным воображению числом 10500, однако это уже совсем другая история.

В белой рамочке — галактика с красным смещением 7,4, обнаруженная в обзоре неба HUDF. Такая она через 700 млн лет после Большого взрыва. Галактика отчетливо видна в инфракрасном диапазоне (справа), но не видна в оптическом (слева). Буквы V, i, z, J, H соответствуют разным примененным фильтрам. Изображение с сайта firstgalaxies.ucolick.org

Вернемся к космологическому красному смещению. Его принято выражать через параметр z, который имеет очень простой смысл. Длина волны, увеличенной благодаря красному смещению, отличается от эталонной длины (или, что то же самое, от длины волны пришедшего на Землю излучения в момент его испускания) в 1 + z раз. Таким образом, если z = 2, то красное смещение увеличивает исходную длину волны в 3 раза, а при z = 5 эта длина возрастает в 6 раз. Еще четверть века назад астрономы практически не наблюдали объекты с z > 1, но в наши дни зарегистрированные значения этого параметра превысили 6,5. Более того, уже были сообщения о наблюдении объектов с z около 10 (что соответствует их возникновению через 500 миллионов лет после Большого взрыва), но эти оценки были получены только фотометрическим способом и не подкреплены куда более надежными измерениями спектров.

Изображения четырех галактик, претендующих на красное смещение 7-8 (то есть мы их видим через 750 млн лет после Большого взрыва), полученные на длинах волн 591 нм, 776 нм, 944 нм, 1119 нм и 1604 нм. Все они хорошо видны на длинах волн больше 1000 нм (ближе к красной части спектра) и совсем не видны на длинах меньше 800 нм (ближе к синей части спектра). Этот «провал» характерен для галактик с активным звездообразованием с большим красным смещением и объясняется тем, что свет поглощается большим количеством нейтрального водорода, свойственным той эпохе. Астрономы используют этот «провал» для обнаружения галактик с большим красным смещением. Изображения из хаббловского обзора HUDF и спитцеровского GOODS. С сайта firstgalaxies.ucolick.org

Теперь перейдем к новым публикациям, которые 14 сентября появились в журнале Nature. Сотрудники Японской национальной обсерватории сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать галактику, у которой величина красного смещения практически равна 7 (точнее, z = 6,96). Она была выбрана из 41 533 галактик, попавших в обзор Subaru Deep Field, и получила название IOK-1. Световые кванты, которые зарегистрировала камера-спектрограф слабых объектов FOCAS (Faint Object Camera And Spectrograph) 8,2-метрового телескопа «Субару» (Subaru), расположенного на вершине потухшего гавайского вулкана Мауна-Кеа, были испущены ионами водорода, когда возраст нашей Вселенной составлял 750 миллионов лет. Масанори Айе (Masanori Iye) и его коллеги пришли к выводу, что юная галактика в то время быстро росла, рождая новые звезды со скоростью десять солнечных масс в год.

28 ярких галактик с красным смещением 6 (через 900 млн лет после Большого взрыва) из обзора HUDF. Изображение с сайта firstgalaxies.ucolick.org

Если бы плотность галактик с z = 7 была примерно такой же, что и при z = 6 (то есть через 900 миллионов лет после Большого взрыва), в просканированном японскими астрономами участке небосвода должна была бы обнаружиться не одна галактика, а несколько, от трех до шести. Они полагают, что эти галактики, скорее всего, там и имеются (точнее, имелись через 750 лет после Большого взрыва), только остаются невидимыми из-за поглощения света нейтральным водородом.

Участок неба, охваченный обзором Hubble Ultra Deep Field (HUDF). Изображение с сайта en.wikipedia.org

А вот американский астрономический коллектив выдвинул другую интерпретацию. Ричард Боуэнс (Rychard Bouwens) и Гарт Иллингворт (Garth Illingworth) из Калифорнийского университета в г. Санта-Круз проанализировали данные о наблюдении сверхдалеких галактик, собранные аппаратурой Космического телескопа имени Хаббла — обзорной камерой ACS (Advanced Camera for Surveys) и приемником излучения, работающим в ближнем инфракрасном диапазоне, и также мульти-спектрометром NICMOS (The Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) — за период с 3 сентября 2003 года по 16 января 2004 года (так называемый обзор Hubble Ultra Deep Field, HUDF). Их компьютерная программа выявила одну галактику, возникшую не позднее чем через 700 миллионов лет после Большого взрыва (z в диапазоне 7–8). Правда, оценка ее возраста не столь точна, как результаты японцев, поскольку не подкреплена спектроскопическими промерами, но в целом, скорее всего, справедлива.

Американские ученые, как и их японские коллеги, ожидали обнаружить куда больше галактик. Однако наблюдаемый дефицит они объясняют иначе. По их мнению, через 700 миллионов лет после Большого взрыва многие галактики еще существовали в виде сравнительно малочисленных звездных скоплений, которые испускали слишком мало света даже для «Хаббла». А в течение последующих двухсот миллионов лет эти галактики успели поднабрать новых звезд, сделались куда ярче и потому стали заметнее для земной аппаратуры. Боуэнс и Иллингворт считают, что дело именно в этом, а не в водородной экранировке света, как полагают японцы. Впрочем, не исключено, что на самом деле тут работают оба фактора. В общем, будущее покажет.

Источники: 1) Masanori Iye at al. A galaxy at a redshift z = 6.96 // Nature. V. 443. P. 186–188. 14 September 2006. 2) Rychard J. Bowens, Garth D. Illingworth. Rapid evolution of the most luminous galaxies during the first 900 million years // Nature. V. 443. P. 189–192. 14 September 2006.

См. также: 1) Cosmic Archeology Uncovers the Universe's Dark Ages // Пресс-релиз Японской национальной обсерватории, 13.09.2006. 2) Astronomers Trace the Evolution of the First Galaxies in the Universe // Пресс-релиз Калифорнийского университета в г. Санта-Круз, 13.09.2006. 3) The First Galaxies // Сайт Ричарда Боуэнса и Гарта Иллингворта.

Алексей Левин

‹‹