Подтверждено расстояние до самой далекой галактики

Астроном Стивен Финкельстейн (Steven Finkelstein) и его коллеги из Техасского университета (США) подтвердили, что излучение от самой далёкой известной галактики потратило 13,1 млрд световых лет, чтобы мы могли его наконец-то зафиксировать. Заметьте: мы не говорим «Она находится в 13,1 млрд световых лет от нас», и тому есть причины. Фактическое расстояние до этих объектов может быть много больше, до десятков миллиардов световых лет. В данном случае, исходя из текущей оценки расширения Вселенной в период инфляции, дистанция от Земли до новооткрытой z8_GND_5296 равна примерно 30 млрд световых лет.

Галактика, родившаяся в первый миллиард лет после возникновения Вселенной,была открыта в 2012 году, хотя и находилась на 40 млн световых лет ближе. Вот только обнаружить такой объект намного проще, чем подтвердить его открытие. 

Подтверждение «дистанции», точнее — времени, которое свет от объекта потратил, чтобы достичь нас, требует измерения красного смещения добравшегося до земного наблюдателя света. А это ставит астрономов перед необходимостью получения спектра очень тусклого объекта, располагающегося едва ли не у «другого конца Вселенной». В данном случае потребовались усилия 10-метрового оптического телескопа обсерватории Кека на Гавайях.

Астрономы искали следы спектральной линии лайман-альфа (Lα), возникающей, когда далёкие от наблюдателя атомы водорода переходят со второго на первый энергетический уровень. Атом водорода не может излучать или поглощать волны короче 91,15 нм — предела Лаймана. Самые древние, первые звёзды почти полностью состоят из водорода, ибо тяжёлые элементы в ту пору ещё не наработались в недрах других светил. Так что в их спектре нет линий короче предела Лаймана, а за счёт красного смещения на его основе можно определить удаление светящегося объекта от Земли. 

Линия лайман-альфа в норме приходится на ультрафиолет, то есть должна иметь длину волны 121,6 нм. Но если наблюдаемый объект действительно стар, красное смещение значительно изменит эту длину волны — сделав её волной инфракрасного излучения.

Астрономы изучили сразу 43 отдалённых красных объекта в созвездии Большой Медведицы. Увы, как и многим другим исследователям, им не очень везло: объекты были так тусклы, что сорок две попытки подряд никаких линий вообще не давали. «Я был разочарован, — вспоминает г-н Финкельстейн. — Но потом понял, что красное смещение одного из них мы всё-таки зафиксировали. И именно этот объект оказался самым удалённым».

Учёный говорит о галактике z8_GND_5296, у которой длина волны спектральной линии лайман-альфа дошла до 1 034,3 нм, увеличившись в 7,51 раза. А красное смешение, равное 7,51, означает, что свет от z8_GND_5296 шёл до нас на 40 млн световых лет дольше, чем от предшествующего обладателя титула самой дальней галактики Вселенной.

По нынешним меркам галактика невелика. Все её звезды «весят» миллиард солнечных масс, то есть ничтожную долю от массы нашей Галактики. Во множестве более поздних образований такого рода даже сверхмассивные чёрные дыры в центре тяжелее всей z8_GND_5296. Но она быстро растёт; её звезды уже имеют заметную долю тяжёлых элементов, и это значит, что они не относятся к первому поколению, почти полностью состоявшему из водорода и тяжёлых элементов не имевшему.

Понятно, что в столь ранней галактике происходит энергичное образование новых светил. 330 солнечных масс тамошнего газа каждый год становятся («становились», поскольку было это очень давно) новыми звёздами. Любопытно, что если все видимые звёзды этой галактики появились таким способом, то вся она возникла за жалкие 3 млн лет.

И это, как ни крути, слишком быстро. Получается, что галактика в тысячу раз легче Млечного Пути генерирует звёзды в 150 раз быстрее него! Абрахам Лёб (Abraham Loeb), глава астрономического факультета Гарвардского университета (США), не на шутку встревожен: «Меня беспокоит, что если вам действительно нужно создавать звёзды в таком бешеном темпе, то галактика должна быть плотной и синхронизированной». И совершенно не ясно, как у объекта, возникшего через 700 млн лет после начала времён, вообще появились такие параметры. Г-н Лёб склонен думать, что прямо перед z8_GND_5296 есть некая невидимая группа галактик, которая гравитационным линзированием усиливает свет от неё и заставляет тамошние темпы звездообразования казаться выше.

Тут, правда, есть одна деталь. Стивен Финкельстейн разумно замечает, что другая рекордно далёкая галактика с z = 7,21 тоже производит звёзды со скоростью автомата: «Обнаружение этих объектов в столь малом регионе говорит, что в ранней Вселенной много мест чрезвычайно интенсивного звездообразования». 

Тот же объект (выделен рамкой) на снимке «Хаббла».

«Конечно, может статься, что мы нашли лишь две диковинки, два нетипичных объекта, причём на одном и том же изображении «Хаббла» этого крохотного небесного сектора, — продолжает г-н Финкельстейн. — Но более чем вероятно, что это не диковинки. Думаю, всё говорит нам о том, что в этой удалённой части Вселенной и впрямь можно обнаружить вполне приличное количество таких галактик».

А теперь о не столь радостных перспективах. Открытие более удалённых объектов будет по-настоящему трудным делом. Для обнаружения спектральной линии лайман-альфа нужно, чтобы газ между галактикой и Землёй был ионизирован, поскольку нейтральный неионизированный водород будет просто рассеивать свет в этом диапазоне. Очевидно, что до завершения реионизации(по крайней мере частичного) увидеть такую линию от далёкой галактики не удастся. Между тем многие астрономы считают, что раньше чем через 700 млн лет после Большого взрыва реионизация просто не могла завершиться. И всё же, всё же...

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature, а его препринт можно полистать на сайте arXiv.

Подготовлено по материалам Nature News.

Источник: Компьюлента