как измеряют расстояние до первых объектов Вселенной
Александр Шереметьев новостной редактор
После запуска телескопа «Джеймс Уэбб» астрофизики начали объявлять об обнаружении самых далеких и ранних галактик. «Хайтек» рассказывает, как ученые определяют расстояние до объектов, возникших вскоре после Большого взрыва, что такое красное смещение и почему результаты оценки ставят под сомнение.
Читайте «Хайтек» в
Одна из главных функций космического телескопа «Джеймс Уэбб» — найти самые ранние галактики, расширяя наши исследования Вселенной как в пространстве, так и во времени. За месяц после публикации первых научных данных, собранных телескопом, на портале препринтов появилось уже более 10 научных публикаций, описывающих кандидатов в первых «обитателей» ранней Вселенной.
Если измерения верны, то эти галактики существовали всего через 200–300 млн лет после Большого взрыва.
Эти звездные системы расположены гораздо дальше, чем все наблюдаемые ранее объекты Вселенной. Ученые пишут о галактиках с красным смещением от 12 до 17. Но в этом празднике научного торжества есть и ложка дегтя: некоторые исследователи полагают, что возраст объектов может быть искажен и результаты требуют тщательной проверки.
Какая галактика самая далекая?До запуска космического телескопа «Джеймс Уэбб» в течение долгого времени самой далекой подтвержденной галактикой была GN-z11. Ее открыли в 2016 году при помощи телескопа «Хаббл». Она примерно в 25 раз меньше Млечного Пути и составляет около 1% от его массы. При этом звездообразование в ней протекало в 20 раз активнее.
GN-z11 расположена в созвездии Большая Медведица, и астрофизики оценивают красное смещение в 11,1. Это значит, что мы наблюдаем ее такой, какой она была 13,4 млрд лет назад — всего через 400 лет после Большого взрыва.
Поскольку Вселенная постоянно расширяется, галактики в космосе удаляются друг от друга. Поэтому собственное расстояние до GN-z11 составляет около 32 млрд световых лет.
Еще до запуска нового телескопа весной 2022 года астрофизики объявили об открытии еще более далекого кандидата — HD1. Он был обнаружен с помощью космического телескопа «Субару» и наблюдений наземных обсерваторий. По данным спектроскопии, его красное смещение составляет 13,27, что соответствует расстоянию в 13,5 млрд световых лет. А сама галактика сейчас находится в 33,4 млрд световых лет от Земли.
Всего через неделю после публикации первых данных телескопа «Джеймс Уэбб» исследователи из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили об обнаружении галактики GLASS-z13, красное смещение до которой предварительно оценивается в 13. Это примерно 300 млн лет после Большого взрыва. Еще через неделю поступило сообщение о галактике с красным смещением 14 и даже 16,7. Если это правда, то мы видим эти галактики такими, какими они существовали примерно через 200 млн лет после Большого взрыва.
Правда, все эти результаты предварительные: пока ни одно из этих значений красного смещения не подтверждено. Чтобы установить расстояния до этих галактик, потребуется спектроскопический анализ.
Галактика GN-z11 на снимке телескопа «Хаббл». Изображение: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)Как нашли новые галактики?В своих работах ученые использовали разные методы. Например, астрофизики из Университета Миссури-Колумбия использовали эффект гравитационного линзирования, созданного массивным скоплением галактик SMACS J0723. Массивный объект искажает движение света, увеличивая далекие объекты, как обычная оптическая линза телескопа. С помощью этого метода ученые обнаружили 88 галактик-кандидатов с красным смещением не менее 11. Некоторые из них по оценке исследователей могут иметь красное смещение до 20.
Другие ученые анализировали снимки различных участков неба, на которых не использовался эффект гравитационного линзирования.
Эти изображения являются частью исследования Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), которое состоит из снимков 10 различных участков неба, сделанных камерой ближнего инфракрасного диапазона телескопа (NIRCam).
Для подтверждения реального возраста далеких объектов требуется спектроскопический анализ, который расщепляет свет от объекта на спектр. Для этого ученые будут использовать спектрограф ближнего инфракрасного диапазона телескопа «Джеймс Уэбб» (NIRSpec), а также прибор среднего инфракрасного диапазона космического телескопа (MIRI).
Эффект гравитационного линзирования на снимке скопления SMACS J0723. Изображение: NASA, ESA, CSA, and STScIЧто такое красное смещение?При исследовании ранней Вселенной основной показатель, который используют ученые, — это красное смещение. Оно помогает понять, насколько быстро объект удаляется от нас. Подобно тому, как сигнал паровоза или корабля звучит ниже, когда они движутся от наблюдателя, световая волна от удаляющегося объекта тоже изменяется.
Вселенная постоянно расширяется, а значит, далекие галактики движутся прочь от Земли. При красном смещении электромагнитное излучение от удаляющегося объекта увеличивает длину волны. Это значит, что все детали спектра сдвигаются в сторону красного участка.
Чем дальше галактика, тем раньше мы ее видим и тем больше ее свет растянулся из-за расширения Вселенной. В результате синий и ультрафиолетовый свет от горячих молодых звезд через 13,5 млрд лет кажется нам инфракрасным.
Телескоп «Джеймс Уэбб» оборудован чувствительными приборами, которые фиксируют излучения в различных участках инфракрасного диапазона и именно поэтому могут уловить излучение ранней Вселенной.
Красное и синее смещение. Изображение: Aleš Tošovský, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia CommonsПочему первые результаты могут быть ошибочными?Предварительные исследования основаны на одиночных наблюдениях и могут быть неточными. Например, пыльные галактики со звездообразованием, существовавшие через млрд лет после Большого взрыва, могут маскироваться под рекордно далекие.
А кроме того, свет, испущенный галактиками, может быть искажен другими объектами.
Например, основываясь на том, насколько красной галактика CEERS-DSFG-1 кажется на изображениях телескопа «Джеймс Уэбб», астрономы определили красное смещение от 17 до 18. Это означает, что мы видим ее через 220 млн лет после Большого взрыва. Однако японские астрономы использовали субмиллиметровый телескоп NOEMA, чтобы найти эту же галактику и показать, что в ней содержится огромное количество пыли.
Пыль поглощает более короткие и голубые волны звездного света, пропуская более длинные и красные. Это означает, что при визуальном наблюдении с Земли такая галактика будет казаться более красной. Скорректировав результаты наблюдений с учетом влияния пыли ученые показали, что реальное красное смещение составляет всего около 5. А это значит, что галактика видна через 1,3 млрд лет после Большого взрыва.
Галактика CEERS-DSFG-1 на снимке телескопа «Джеймс Уэбб» с наблюдениями NOEMA, наложенными поверх него в виде контурных линий.
Справа показано, как кандидат выглядит при просмотре через разные фильтры: он не обнаруживается в фильтрах с более короткой длиной волны, но становится более заметным в более красных фильтрах. Изображение: J. Zavala et al.К похожим результатам пришли исследователи, изучавшие галактику-кандидата CEERS-1749. Они назвали свое открытие — галактикой Шредингера. Все дело в том, что красное смещение для нее может быть равно или 5, или 17. Если речь идет об отдельной далекой галактике, то это одна из самых далеких известных подобных систем, а если она является частью кластера, то речь снова идет о миллиарде лет после Большого взрыва. Все станет ясно после новых исследований.
Вне зависимости от того, будут ли подтверждены заявленные рекорды, новые открытия внесут существенный вклад в понимание процессов развития ранней Вселенной. Даже «близкие» далекие галактики с красным смещением около 5 открывают новые данные.
Межзвездная пыль — побочный продукт цикла рождения и смерти звезд.
Чтобы повлиять на красное смещение, такой пыли должно быть очень много. А это значит, что в таких галактиках должно происходить крайне интенсивное звездообразование. Ранее ученые не знали о подобных процессах.
Большое количество далеких галактик из разных периодов жизни Вселенной поможет понять, как формировались и развивались первые звездные системы.
Читать далее:
«Джеймс Уэбб» прислал фото столкновения двух огромных галактик
«Бесполезная» бактерия на Земле обеспечит жизнь колонизаторам Марса
На пирамиде в Китае нашли портрет «царя предков». Он правил более 4 000 лет назад
Обнаружена самая далёкая галактика во Вселенной
17 декабря 2020 11:12 Анатолий Глянцев
Астрономы получили шанс заглянуть в далёкое прошлое Вселенной.
Иллюстрация Pixabay
Астрономы подтвердили, что галактика GN-z11 – самая далёкая в известной Вселенной. Её свет путешествовал к Земле более 13 миллиардов лет.
Учёные выяснили, что галактика GN-z11 – самая далёкая в известной Вселенной. Её лучам понадобилось более 13 миллиардов лет, чтобы добраться до Земли. Этот свет был испущен, когда с момента Большого взрыва прошло всего 420 миллионов лет.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy.
Звёздная система GN-z11 привлекла внимание астрономов в 2016 году. Исследователи измерили расстояние до неё по данным «Хаббла» и выяснили, что эта галактика претендует на звание самого далёкого объекта в известной Вселенной. Однако дистанция до GN-z11 была определена не очень точно.
Авторы нового исследования использовали телескоп Keck I и спектрограф MOSFIRE. Последний инструмент – более современный, чем установленный на борту «Хаббла».
В результате исследователи в сто раз повысили точность определения красного смещения (которое однозначно пересчитывается в расстояние) для галактики GN-z11. По данным новых измерений, красное смещение этого «звёздного острова» равно z = 10,957 ± 0,001. Это значит, что свет GN-z11 добирался до Земли 13,24 миллиарда лет. Галактика GN-z11 действительно оказалась самым далёким объектом в наблюдаемой Вселенной.
Сейчас мы видим эту галактику такой, какой она была всего через 420 миллионов лет после Большого взрыва. Такие цифры значительно превосходят предыдущий рекорд «космической древности» (690 миллионов лет после Большого взрыва). Наблюдая GN-z11, учёные могут многое узнать о том, какой была Вселенная в далёком прошлом, а это поможет лучше понять её настоящее.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о древнейшем радиосветильнике во Вселенной. Писали мы и о самом древнем близнеце Млечного Пути.
наука космос астрономия галактики рекорды новости
Ранее по теме
Астрофизики посчитали тёмную энергию Вселенной
Сразу после Большого взрыва. Видео с супертелескопа
«Галактика-телескоп» помогла астрономам заглянуть в младенческие годы Вселенной
Найдена самая далёкая и древняя галактика
Телескоп «Джеймс Уэбб» готов раскрывать тайны Вселенной
В поисках экзопланет: «Джеймс Уэбб» идет на смену «Хабблу»
JWST побил рекорд самой далекой из когда-либо обнаруженных галактик : ScienceAlert
Местоположение самой далекой из когда-либо обнаруженных галактик.
(NASA, ESA, CSA, M. Zamani/ESA/Webb)
Было подтверждено, что свет, который путешествовал более 13,4 миллиарда лет, чтобы достичь нашего космического пространства, исходит из самой ранней и самой далекой обнаруженной галактики.
Это помещает самый далекий из этих четырех очень молодых объектов на заре Вселенной, вскоре после Большого Взрыва — период времени, когда Вселенная была еще туманной и мутной, а первые лучи света проникали в темнота.
Длительные спектроскопические наблюдения JWST настолько подробны, что исследователи могут не только измерить расстояние, пройденное светом этих галактик, но и сделать вывод о некоторых свойствах галактик.
«Впервые мы открыли галактики всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва, и мы можем быть абсолютно уверены в их фантастических расстояниях», — говорит астроном Брант Робертсон из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
«Найти эти ранние галактики на таких потрясающе красивых изображениях — это особый опыт».
Возможность заглянуть во Вселенную раньше, чем когда-либо прежде, была одной из самых больших надежд, возлагаемых на JWST. Наше понимание первого миллиарда лет после Большого взрыва чрезвычайно ограничено, и обнаружение более ранних и более ранних объектов может помочь пролить свет на это решающее время формирования.
Исследуемая область космоса с синим, красным и зеленым светом, представляющим определенные длины волн. (Zamani/ESA/Webb/NASA/CSA)У нас есть модели, описывающие, как развивались события. Мы считаем, что до рождения первых звезд Вселенная была заполнена непрозрачной материей; любой свет рассеивался на свободных электронах и не мог свободно течь.
Эти частицы постепенно объединяются, образуя нейтральный водород; когда звезды начали формироваться, они ионизировали водород, и засиял свет. Этот процесс завершился примерно через 1 миллиард лет после возникновения Вселенной.
Свет от этих объектов очень слабый, так как они пришли издалека. И из-за расширения Вселенной она значительно растянулась в более длинный и красный конец спектра — явление, известное как красное смещение.
JWST — самый мощный телескоп, когда-либо запущенный в космос, и он специализируется на инфракрасном и ближнем инфракрасном свете, предназначенный для обнаружения этого смещенного в красную сторону света в меру наших возможностей.
Чтобы получить достоверное красное смещение, свет необходимо разложить на составляющие его длины волн. Этот метод известен как спектроскопия. Группа исследователей разделила свет от NIRCam JWST на девять диапазонов длин волн, сосредоточившись на четырех галактиках с большими красными смещениями, две из которых были впервые идентифицированы Хабблом.
Новые данные JWST подтверждают, что эти две галактики действительно являются одними из самых удаленных из когда-либо обнаруженных, а две другие еще дальше.
«Было крайне важно доказать, что эти галактики действительно обитают в ранней Вселенной. Близкие галактики вполне могут маскироваться под очень далекие галактики», — говорит астроном Эмма Кертис-Лейк из Университета Хартфордшира в Великобритании.
«Обнаружение спектра, как мы и надеялись, подтверждает, что эти галактики находятся на истинном краю нашего поля зрения, несколько дальше, чем смог увидеть Хаббл! Это чрезвычайно захватывающее достижение для миссии.»
Расположение четырех галактик. (NASA, ESA, CSA, M. Zamani/ESA/Webb, Leah Hustak/STScI)Две галактики Хаббла имеют красные смещения 10,38 и 11,58. Новые открытия JWST имеют красные смещения 12,63 и 13,20, последнее из которых эквивалентно примерно 13,5 миллиардам световых лет.
Другие кандидаты с более высокими красными смещениями в настоящее время изучаются, но еще не подтверждены. Учитывая, что JWST не работает еще и шести месяцев, скорее всего, не пройдет много времени, прежде чем рекорд будет побит.
Но тем временем есть над чем поработать. Наблюдения, которые дали нам эти далекие галактики в рамках расширенного глубокого внегалактического исследования JWST (JADES), собрали в общей сложности 28 часов данных из области космоса в знаменитом сверхглубоком поле Хаббла и вокруг него.
Этот свет может многое рассказать нам об условиях ранней Вселенной и о том, как формировались первые звезды и галактики.
«Благодаря этим измерениям мы можем узнать внутреннюю яркость галактик и выяснить, сколько в них звезд», — говорит Робертсон.
«Теперь мы можем начать по-настоящему разбираться в том, как складываются галактики во времени.»
Исследователи представят свои открытия на конференции STScI First Science Results from JWST. Два препринта можно прочитать здесь и здесь.