В поисках космического рассвета и первых звёзд во Вселенной

После всего лишь четырёх коротких лет работы, космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) от NASA и наблюдательные космологи, такие как Ричард Эллис из Университетского колледжа Лондона (UCL), продвинули космическое время назад до эпохи, когда первые звёзды и галактики Вселенной находятся в пределах наблюдаемости.

Недавнее многоспектральное исследование JWST, охватывающее тысячи объектов с использованием 150 отдельных узких линий обзора на площади 0,6 квадратных градусов неба, показывает резкое снижение формирования галактик всего через 150-200 миллионов лет после Большого взрыва.

Это область наблюдения всего лишь в три раза больше полной луны.

Но изучение галактик на самых ранних этапах предоставляет уникальное окно в начальные условия, которые подготовили почву для формирования и эволюции химических abundances, сверхмассивных чёрных дыр (SMBH) и крупных структур, которые мы наблюдаем сегодня, как отмечают авторы статьи 2026 года, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Вдохновлённый возможностью заглянуть в прошлое, сам Эллис начал свои исследования далекой Вселенной ещё будучи студентом около 58 лет назад. В 1968 году высокий красный сдвиг означал светящиеся квазары — теперь известные как активные галактические ядра (AGN).

У нас не было больших телескопов, и мы всё ещё использовали фотопластинки, — сказал мне Эллис, профессор астрофизики в UCL, в своём офисе.

Красный сдвиг 3, на котором находили квазары, соответствует расширению Вселенной в четыре раза.

Это действительно возвращает вас в период, когда солнечная система ещё не образовалась, когда Вселенной было примерно треть её нынешнего возраста, — говорит Эллис.

Но в 1995 году Эллис был единственным членом комитета «Телескоп Хаббла и далее», базирующимся в Европе, который обосновал научные доводы для создания 6,5-метрового инфракрасного JWST.

Мы продвинули границы назад до момента, когда Вселенной было всего 200 миллионов лет, и узнали так много о том, как Вселенная эволюционирует, — говорит Эллис. Мы начинаем видеть проблески того, что мы называем космическим рассветом, момент, когда первые галактики появляются из темноты, — добавляет он.

Как формируются эти галактики?

Когда Вселенная расширялась и охлаждалась, затем образовался атом водорода, но Вселенная была тёмной, газовые облака были там, но они не светились, — говорит Эллис.

Но эти газовые облака вскоре коллапсировали вокруг изобилия тёмной материи ранней космологии.

В конечном итоге эти газовые облака нагрелись и зажгли ядерное горение, — говорит Эллис.

Эти ранние галактики крошечные; некоторые из них в тридцать раз меньше нашей великолепной спиральной галактики Млечный Путь и всего 60-70 световых лет в диаметре. Это больше похоже на звёздное глобулярное скопление, чем на полноценную галактику.

Хотя они физически очень малы, они производят звёзды в 20 раз быстрее, чем Млечный Путь, — говорит Эллис. Таким образом, они наблюдаются в замечательно юном и энергичном периоде своей активности, — добавляет он.

Связывание этих ранних объектов с величественными спиралями, такими как галактика Млечный Путь и ближайшая галактика Андромеды, является одной из задач понимания всей эволюции галактик. Но священный Грааль — это найти короткоживущие так называемые звёзды Популяции III, которые не содержат тяжёлых элементов, только водород и гелий.

Массивные звёзды живут всего около 5 миллионов лет, прежде чем они взрываются, и, конечно, после взрыва они загрязняют газ тяжёлыми элементами, так что они больше не являются химически чистыми, — говорит Эллис.

Это всё ещё будет научной борьбой, чтобы подтвердить, что какая-либо данная галактика или галактики являются первыми, которые образовались. В настоящее время существует три метода для определения космического рассвета.

Открытие популяции химически чистых галактик, не загрязнённых взрывами сверхновых.

Это очень сложно, так как необходимо однозначно продемонстрировать отсутствие кислородных эмиссий, — говорит Эллис.

Отслеживание снижения abundances звёздообразующих галактик с увеличением красного смещения и в определённый момент нахождение более резкого снижения.

Отслеживание снижения химической abundances (например, соотношение кислорода к водороду) с увеличением красного смещения.

Это требует гораздо большего количества спектров, чем у нас есть в настоящее время, но, возможно, это самый многообещающий путь, — говорит Эллис.

Существует также другой путь к нахождению космического рассвета, который не включает традиционные космические или наземные телескопы. Это поиск сигнала Лаймана альфа водорода на космологических расстояниях. Предстоящая квадратная километровая массивная антенна (SKA) в Западной Австралии имеет шанс сделать это обнаружение в радио спектре.

Когда галактики впервые осветили Вселенную звёздным светом, газовые облака нагревались и излучали сильнейшую спектральную линию водорода, так называемую линию Лаймана альфа.

Составное изображение будущих телескопов SKA, объединяющее то, что уже существует на месте, с художественными впечатлениями. Кредит: SKA Observatory.

Космическая корреляция

Существует интересный резонанс между этой линией Лаймана альфа водорода и радиолинией 21 см водорода в основном состоянии, когда этот самый фундаментальный из всех элементов находится на своём самом стабильном, наименьшем уровне энергии.

В результате Эллис и его коллеги ожидают увидеть эту 21 см линию водорода с красным смещением в спектральных линиях поглощения, когда она наблюдается на фоне более далекого Космического микроволнового фона (CMB).

Что касается тех, кто утверждает, что изучение этих ранних времён не имеет отношения к нашей повседневной жизни?

Мы состоим из материала, который синтезируется в звёздах; химия, которая в конечном итоге привела к нам, началась в космическом рассвете, — говорит Эллис. Таким образом, в некотором смысле это почти так же важно, как и Большой взрыв, — добавляет он.

Но без понимания первых галактик и первых звёзд мы не можем действительно получить полное представление об астробиологии. Потому что, когда эти звёзды взрываются, они производят облака газа и пыли, которые вращаются вокруг следующего поколения звёзд, которые, в свою очередь, могут производить планеты с условиями, подходящими для жизни.

И когда эти элементарные одноклеточные формы жизни образовались, в конечном итоге где-то в этой смеси есть ты и я, — говорит Эллис.