По современным космологическим представлениям, первые галактики образовались в течение миллиарда лет после Большого Взрыва. Они мало напоминали привычные нам типы галактик — спиральные и эллиптические: первые галактики должны были быть карликовыми и иррегулярными из-за частых взаимодействий друг с другом. Наблюдения на телескопе «Хаббл» в целом подтверждали эту теорию, хотя диапазон пропускания его светофильтров и технические показатели матриц приемников не оптимальны для подобных задач. Новый космический телескоп имени Джеймса Уэбба, похоже, меняет эту картину: проведенные на нем обзоры ранней Вселенной показали, что регулярных дисковых галактик там было как минимум в несколько раз больше, чем считалось ранее.
Несколько упрощая, можно сказать, что современная космология началась в первой четвери XX века с формулировки Общей теории относительности (1915 год), разработки квантовой физики и открытия расширения Вселенной Эдвином Хабблом (1929 год). Эти были первые большие и важные шаги на пути познания того, как функционирует Вселенная. Далее космология развивалась семимильными шагами. С появлением космических телескопов этот процесс ускорился еще больше. Сейчас, благодаря усилиям теоретиков и многих космических аппаратов (в частности WMAP и «Планк») ученые с точностью до долей секунды знают, как развивалась Вселенная после Большого взрыва. Неожиданно, что проблемы начинаются, когда шкала времени доходит до появления первых галактик — считается, что это случилось через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва (см. Chronology of the universe). Господствующая теория, описывающая эти процессы, основана на симуляциях, использующих численные методы и алгоритмы иерархической кластеризации (см. обзор А. Сабуровой Связь относительной массы темного гало со свойствами галактик). По-видимому, она доживает свой век, так как имеет слишком много противоречий с наблюдениями.
Вкратце, суть в следующем. Считается, что первой какие-либо структуры во Вселенной образовала темная материя, а затем под действием ее гравитации на них начал конденсироваться первичный барионный газ, из которого вскоре сформировались первые звездные скопления. Вселенная имела еще очень небольшие размеры, и эти скопления начали «слипаться» друг с другом, как снежные комья, образуя первые галактики, а те, в свою очередь, сразу начали раздирать и поглощать друг друга. Согласно «иерархическому» сценарию, приливные силы от таких взаимодействий не давали галактикам принять аккуратные формы (вроде диска или сфероида) и сформировать какие-либо структуры (например, спирали или перемычки). Поэтому первые галактики были карликовыми и иррегулярными (см., например, C. Firmani, V. Avila-Reese, 2003. Physical processes behind the morphological Hubble sequence). Привычное деление галактик на типы по «камертону» Хаббла (рис. 1) возникло гораздо позже — не ранее 6 миллиардов лет назад (напомню, что общепринятый возраст Вселенной — ~13,8 миллиардов лет).
Космос — это не только «ускоритель для бедных», но и машина времени, так как скорость света конечна, и очень далекие объекты мы видим такими, какими они были очень давно. Так почему бы не попытаться заглянуть в начало времен? Первая попытка была сделана в 1995 году с помощью космического телескопа «Хаббл». В течение десяти дней телескоп сделал 342 снимка небольшой области неба в созвездии Большой Медведицы, которые после обработки и «сложения» составили ставшую очень известной фотографию Hubble Deep Field (впоследствии «Хаббл» отснял еще несколько «глубоких полей»). Эта часть неба была выбрана, поскольку она находится вдали от эклиптики (чтобы избежать засветки от Луны, планет и зодиакального света), но близко к галактическому полюсу (чтобы уменьшить засветку звездами Млечного Пути и поглощение излучения от далеких галактик межзвездной пылью). В итоге на изображение попали всего 7 звезд. Остальные ~3000 объектов на нем — галактики (рис. 2; H. Ferguson et al., 2000. The Hubble Deep Fields).
Если судить по Hubble Deep Field, то действительно кажется, что многие галактики выглядят как бесформленные или клочковатые пятнышки, а привычных нам спиралей и веретен не так уж много (R. Abraham et al., 1996. Galaxy morphology to I=25 mag in the Hubble Deep Field). Это вполне укладывается в «иерархический» сценарий формирования и эволюции первых галактик. Однако расстояния до столь слабых объектов (и, соответственно, их возраст) были надежно определены лишь спустя несколько лет, когда удалось применить метод, основанный на измерении фотометрического красного смещения. Он основан на том, что в расширяющейся Вселенной все объекты, не связанные с Млечным Путем гравитационно, непрерывно удаляются от него. Излучение от них подвержено эффекту Доплера и потому смещено в длинноволновую (красную) часть спектра. Чем дальше находятся эти галактики, тем быстрее они удаляются и тем больше это смещение (оно обозначается буквой z; для близких объектов z <0,1). Обычно его величина определяется по спектру, но у таких слабых объектов, как галактики Hubble Deep Field, спектр отснять невозможно, и красное смещение, а значит и расстояние, рассчитывают путем кропотливого сравнения потоков излучения в различных светофильтрах.
Когда расстояния были определены, оказалось, что большинство этих галактик невероятно далеки: z для них превышает 3, а для некоторых — даже 6 (H. Ferguson, 1998. The Hubble Deep Field). Это означет, что свет от них шел до нас более 10 миллиардов лет. Из-за эффекта Доплера их излучение сдвинулось в длинноволновую область настолько сильно, что то, что «Хаббл» воспринимал, как видимый свет, галактики излучили как ультрафиолетовый. Из наблюдений близких систем мы знаем, что их морфология в видимом и ультрафиолетовом диапазонах может сильно различаться (рис. 3). Ультрафиолетовый свет излучают области звездообразования, а они даже у регулярных галактик могут быть распределены крайне неравномерно. Но за неимением возможности получить изображения в других длинах волн наблюдаемая клочковатость далеких галактик была принята как подтверждение «иерархического» сценария.
Однако в 2005 году благодаря наблюдениям «Хаббла» были открыты «красные самородки» (red nuggets) — невероятно плотные шарообразные галактики в ранней Вселенной. Они были чересчур массивными, чтобы соответствовать «иерархическому» сценарию. «Дальнозоркость» «Хаббла» была практически исчерпана, так что для новых данных пришлось ждать запуска телескопа нового поколения. Для обсуждаемой задачи — исследования эволюции и морфологии галактик в молодой Вселенной — было очень важно, чтобы новый телескоп мог работать в инфракрасном диапазоне. Так он сможет детектировать то излучение далеких галактик, которое на момент испускания было оптическим, — опять же, из-за эффекта Доплера. И вот, 25 декабря 2021 года этот новый телескоп — «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope, JWST) — наконец был запущен (подробнее о нем и некоторых его результатах читайте в статьях Телескоп «Джеймс Уэбб», «Джеймс Уэбб» реализует лучшие методы наземной астрономии, Большой взрыв, JWST и «паника»). К тому моменту он уже стал синонимом фразы «после дождичка в четверг»: проект находился в разработке 25 лет и требовал баснословных затрат, так что научное сообщество относилось к нему несколько скептически. Тем не менее, телескоп был построен и благополучно запущен, а сегодня открытия сыплются с него как из рога изобилия.
JWST стал наблюдать далекие галактики с целью изучения их морфологии практически сразу после перехода в рабочий режим. И уже первые публикации показали, что ситуация сильно отличается от результатов наблюдений на «Хаббле» (см., например, L. Ferreira et al., 2022. Panic! at the Disks: First Rest-frame Optical Observations of Galaxy Structure at z > 3 with JWST in the SMACS 0723 Field; C. Jacobs et al., 2023. Early Results from GLASS-JWST. XVIII. A First Morphological Atlas of the 1 < z < 5 Universe in the Rest-frame Optical). Однако эти данные были разрозненными и имели только качественный характер. Наконец большая международная команда исследователей взялась за обработку и классификацию изображений почти 4000 галактик, полученных JWST. Это в 20 раз больше, чем в любой из предыдущих работ, использовавших данны JWST. Ученые поставили перед собой амбициозную задачу положить конец спорам о морфологии галактик в ранней Вселенной.
Красное смещение рассмотренных объектов лежит в пределах от 1,5 до 6,5. То есть возраст Вселенной для самых далеких из них составляет менее миллиарда лет — вполне возможно, что это одни из самых первых галактик. Их изображения совсем крошечные, и, несмотря на то, что методы компьютерного анализа, использующие машинное обучение, прочно проникли и в астрономию с астрофизикой, было принято решение, что их анализом и классификацией займутся шесть исследователей из числа авторов статьи. Каждый из них, используя специальную программу, просмотрел все 3956 галактик, и, ответив на предложенные вопросы, распределил их по основным морфологическим классам (дисковые, сфероидные, иррегулярные). Затем ответы всех исследователей сравнивались и большинством голосов определялось, к какому относится каждая галактика. Отмечу, что классифицировать удалось не все объекты, но таких было немного; некоторые источники не обладали никакой различимой структурой и были отнесены к точечным.
Результаты получились весьма любопытными. Оказалось, что многие галактики, которые по данным «Хаббла» были классифицированы как иррегулярные, на самом деле являются дисковыми. Например, при z = 2 (это соответствует ~10, 4 млрд лет назад) по данным «Хаббла» дисковых галактик было только 10%, а по данным JWST их 60%. Такая огромная разница объясняется тем, что, во-первых, JWST позволил получить гораздо более качественные изображения благодаря более совершенным оптике и матрицам приемника, а, во-вторых, как уже говорилось, наблюдения проводились в инфракрасном диапазоне, поэтому изображения оказались меньше подвержены поглощению света из-за собственной межзвездной пыли галактик и выглядели более симметричными (рис. 4).
Статистические результаты классификации всех изученных галактик оказались следующими. Дисковые галактики преобладают (их 42%), на втором месте по распространенности — иррегулярные (их 27%), на третьем — сфероидальные (эллиптические и сходные с ними по морфологии, 14%). Так что можно с хорошей долей уверенности сказать, что большинство звезд во Вселенной родились в дисковых галактиках, похожих на нашу.
Далее, разделив наблюдавшиеся системы на массивные и маломассивные, авторы проанализировали, как меняется доля галактик разных типов с расстоянием: действительно ли в ранней Вселенной иррегулярных галактик больше, а все остальные классы появляются позднее? Ответ оказался неожиданным: для массивных систем с звездной массой более миллиарда солнечных доля представителей каждого класса практически не меняется с расстоянием, что явно противоречит «иерархическому» сценарию. Либо скучивание не играет существенной роли в формировании галактик, либо регулярные структуры образуются достаточно быстро и эффективно противостоят разрушительным приливным силам. Оба варианта дают теоретикам богатую пищу для размышлений. Для маломассивных галактик результаты были более предсказуемы — среди них доля иррегулярных сильно возрастает с расстоянием, хотя дисковые и сфероидальные все равно наблюдаются. Интересно также, что в космологических гидродинамических симуляциях, где ученые задают физические законы и наблюдаемые параметры для искусственной вселенной, а дальше все считают суперкомпьютеры, тоже отмечается присутствие и даже господство регулярных галактик на больших красных смещениях. Раньше этот факт игнорировался как не соответствующий общепринятой теории.
Обсуждаемая работа дает сильные аргумент в пользу того, что спиральные галактики, в одной из которых живем и мы с вами, оказались гораздо более распространенными и древними объектами во Вселенной. Мы знаем, что Земля — далеко не рядовая планета, а Солнце — не самая рядовая звезда, но Млечный Путь — это, судя по всему, рядовая галактика, так что в каждой из таких систем возможно наличие хотя бы одной разумной цивилизации. Теперь взгляните на композитное изображение участка неба из обзора CANDELS, где находятся галактики, которыми занимались авторы (рис. 5). Телескоп имени Джеймса Уэбба позволили насчитать среди них 1660 дисковых. Если исключить из них линзовидные и спиральные с крупными балджами, которые мало напоминают Млечный Путь и по статистике составляют примерно половину всех дисковых, то получим 830 галактик. Площадь неба, занятая этим изображением, составляет всего 1/1650120 часть площади всей небесной сферы. И так как Вселенная на больших масштабах однородна и изотропна получается, что в ней около миллиарда пригодных для разумной жизни галактик. Впечатляет, не так ли?
Источник: Leonardo Ferreira, Christopher J. Conselice, Elizaveta Sazonova, Fabricio Ferrari, Joseph Caruana, Clár-Bríd Tohill, Geferson Lucatelli, Nathan Adams, Dimitrios Irodotou, Madeline A. Marshall, Will J. Roper, Christopher C. Lovell, Aprajita Verma, Duncan Austin, James Trussler and Stephen M. Wilkins. The JWST Hubble Sequence: The Rest-frame Optical Evolution of Galaxy Structure at 1.5 < z < 6.5 // The Astrophysical Journal. 2023. DOI: 10.3847/1538-4357/acec76
Екатерина Киреева
Свежие комментарии