Впечатления этого художника показывают, как могла выглядеть Вселенная, когда ей было меньше миллиарда лет, то есть примерно 7 процентов от ее нынешнего возраста. При звездообразовании жадно потреблялся первичный водород и рождались бесчисленные звезды с беспрецедентной скоростью. Космический телескоп НАСА Нэнси Грейс-Роман обратится к ранним стадиям развития Вселенной, чтобы понять, как она превратилась из безвестности в блестящий звездный пейзаж, который мы видим сегодня. Альтернативный текст: На этой иллюстрации изображена захватывающая и хаотичная космическая сцена, полная деформированных глыб и колец белый и фиолетовый материал на черном фоне. Большинство сгустков небольшие, но один особенно крупный конгломерат простирается от правого нижнего угла кадра к центру и почти до самого левого края, подобно вздымающимся облакам. Он полон луковичных форм, обрамленных яркими лавандовыми лозами. Яркие звездные группы сконцентрированы в центре каждой доли, а также более редко разбросаны по окружающей территории. Изображения предоставлены: НАСА, ЕКА и А. Шаллер (для STScI)
Сегодня огромные просторы космоса кристально чисты, но так было не всегда. В детстве Вселенная была наполнена «туманом», который делал ее непрозрачной и скрывал первые звезды и галактики. Предстоящий римский космический телескоп НАСА Нэнси Грейс будет исследовать возможный переход Вселенной к яркому звездному пейзажу, который мы видим сегодня – эпоху, известную как космический рассвет.
«Что-то очень фундаментальное в природе Вселенной изменилось за это время», — сказала Мишель Таллер, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Благодаря большому и четкому инфракрасному изображению Романа мы, возможно, наконец сможем выяснить, что произошло во время критического космического поворота».
Свет выключен, свет включен
Вскоре после своего создания космос представлял собой светящееся море частиц и радиации. По мере расширения и охлаждения Вселенной положительно заряженные протоны смогли захватывать отрицательно заряженные электроны и образовывать нейтральные атомы (в основном водорода и немного гелия). Это была отличная новость для звезд и галактик, которыми в конечном итоге станут атомы, но плохая новость для света!
Вероятно, потребовалось много времени, чтобы газообразные водород и гелий соединились и образовали звезды, которые затем под действием своей гравитации образовали первые галактики. Но даже когда звезды начали сиять, их свет не мог пройти очень далеко, прежде чем поразить нейтральные атомы и поглотиться ими. Этот период, известный как Космические темные века, длился примерно от 380 000 до 200 миллионов лет после Большого взрыва.
Затем туман медленно рассеялся, поскольку в течение следующих ста миллионов лет распадалось все больше и больше нейтральных атомов: период, известный как космический рассвет.
«Нам очень любопытно, как произошел этот процесс», — сказал Аарон Юнг, научный сотрудник Джаккони из Научного института космического телескопа в Балтиморе, который планирует первые наблюдения Романа за Вселенной. «Большой и острый взгляд Романа на космос поможет нам взвесить различные объяснения».
Главные подозреваемые
Возможно, именно ранние галактики были в значительной степени ответственны за энергетический свет, который расщеплял нейтральные атомы. Первые черные дыры также могли сыграть свою роль. Роман будет искать повсюду, чтобы расследовать обоих возможных виновников.
«Роман будет особенно хорош в поиске строительных блоков космических структур, таких как скопления галактик, которые формируются позже», — сказал Такахиро Моришита, научный сотрудник Калифорнийского технологического института/IPAC в Пасадене, Калифорния, который изучал космический рассвет. «Он быстро определит самые плотные регионы, где «туманность» очищается больше всего, что сделает Роман ключевой миссией для изучения ранней эволюции галактик и космического рассвета».
Самые ранние звезды, вероятно, сильно отличались от сегодняшних. Когда гравитация начала стягивать материю, Вселенная была очень плотной. Звезды, вероятно, стали в сотни или тысячи раз массивнее Солнца и излучали большое количество высокоэнергетического излучения. Гравитация столкнула молодые звезды вместе, образовав галактики, и их кумулятивные взрывы, возможно, снова отделили электроны от протонов в окружающих их космических пузырях.
«Это можно назвать вечеринкой в начале Вселенной», — сказал Таллер. «Мы никогда не видели рождения самых первых звезд и галактик, но это, должно быть, было зрелищно!»
Но продолжительность жизни этих звезд-тяжеловесов была недолгой. Ученые полагают, что они быстро рухнули, оставив после себя черные дыры — объекты с такой огромной гравитацией, что даже свет не может вырваться из их лап. Поскольку молодая Вселенная также была меньше из-за своего недавнего расширения, полчища этих черных дыр могли слиться в еще более крупные — в миллионы или даже миллиарды раз превышающие массу Солнца.
Сверхмассивные черные дыры, возможно, помогли очистить водородный туман, пропитавший раннюю Вселенную. Горячий материал, кружащийся вокруг черных дыр в ярких центрах активных галактик, называемых квазарами, прежде чем упасть в них, может создавать экстремальные температуры и испускать огромные яркие струи интенсивного излучения. Джеты могут простираться на сотни тысяч световых лет, вырывая электроны из каждого атома на своем пути.
На этом снимке, полученном космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, показано более 20 000 галактик. Исследователи проанализировали 117 галактик, каждая из которых существовала примерно через 900 миллионов лет после Большого взрыва. Они сосредоточились на 59 галактиках, лежащих перед квазаром J0100+2802, активной сверхмассивной черной дырой, которая действует как маяк и расположена в центре изображения выше, выглядя крошечной и розовой с шестью заметными дифракционными пиками. Команда исследовала как сами галактики, так и окружающий их освещенный газ, освещенный ярким светом квазара. Это наблюдение проливает свет на то, как ранние галактики рассеяли «туман» вокруг себя, что в конечном итоге привело к сегодняшним ясным и обширным видам. Фото предоставлены: НАСА, ЕКА, CSA, Саймон Лилли (ETH Цюрих), Даичи Касино (Университет Нагои), Джоррит Матти (ETH Цюрих), Кристина Эйлерс (MIT), Роб Симко (MIT), Ронгмон Бордолой (NCSU), Руари Маккензи (ETH Цюрих); Обработка изображений: Алисса Пэган (STScI), Руари Макен
Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба также исследует космический рассвет, используя более узкое, но более глубокое поле зрения для изучения ранней Вселенной. Объединив наблюдения Уэбба с наблюдениями Романа, ученые смогут создать гораздо более полную картину этой эпохи.
На данный момент Уэбб обнаружил больше квазаров, чем ожидалось, учитывая их редкость и небольшое поле зрения Уэбба. Увеличенное изображение Романа поможет астрономам понять, что происходит, увидев, насколько распространены квазары на самом деле. Скорее всего, они найдут десятки тысяч, по сравнению с горсткой, которую смог найти Уэбб.
«Благодаря более мощной статистической выборке астрономы смогут проверить широкий спектр теорий, основанных на наблюдениях Уэбба», — сказал Юнг.
Оглядываясь на первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной большим глазом Романа, ученые также смогут выяснить, сыграл ли конкретный тип галактики (например, более массивные) большую роль в очистке туманности.
«Возможно, этот процесс начали молодые галактики, а затем работу завершили квазары», — сказал Юнг. Размер пузырьков, образовавшихся из туманности, даст ученым важную подсказку.
«Галактики образовывали бы вокруг себя огромные скопления пузырей, в то время как квазары создавали бы большие сферические пузыри. Нам нужно большое поле зрения, такое как у Романа, чтобы измерить их протяженность, поскольку в обоих случаях их ширина, вероятно, достигает миллионов световых лет. часто больше, чем поле зрения Уэбба».
Роман будет работать рука об руку с Уэббом, чтобы найти ключ к разгадке того, как галактики образовались из первичного газа, который когда-то заполнял Вселенную, и как их центральные сверхмассивные черные дыры повлияли на формирование галактик и звезд. Наблюдения помогут выявить космические рассветы, которые осветили нашу Вселенную и в конечном итоге сделали возможной жизнь на Земле.
Информация от: Центром космических полетов имени Годдарда НАСА.
