Atsiranda seniausios galaktikos visatoje

Kūdikių visata neturėjo nieko bendra su kosmosu, kurį matome šiandien. Iš pradžių buvo tamsu: nei žvaigždžių, nei galaktikų, tik kunkuliavo dangiška sriuba. Tačiau praėjus šimtams milijonų metų po Didžiojo sprogimo, susiformavo pirmosios galaktikos – kaip tiksliai yra paslaptis – ir prasidėjo evoliucinė seka, apgyvendinusi kosmosą galaktikomis, įskaitant mūsų Paukščių Taką.

Dabar astronomai, žvelgiantys į tolimą praeitį, atrado ankstyvąsias galaktikas, kurios galėjo atsirasti anksčiau ir išaugo greičiau nei tikėtasi.

Kai kurių šių galaktikų šviesa, kurią matė NASA James Webb kosminis teleskopas, kosmosu keliavo apie 13,4 milijardo metų, kol susidūrė su paauksuotais instrumento veidrodžiais. Nors JWST visiškai veikė tik maždaug šešis mėnesius, jo stebėjimai jau atskleidžia ankstyvąsias galaktikos istorijos dienas. Mažiausiai dvi JWST aptiktos galaktikos yra toliau nei bet kas anksčiau, o teleskopas pastebėjo kitus intriguojančius kandidatus, laukiančius patvirtinimo.

„Matome, kaip atrodė galaktikos tuo metu, kai Visatai tebuvo 300–400 milijonų metų“, – sakė JWST operacijų projekto mokslininkė Jane Rigby sausakimšai susirinkimo auditorijai. Amerikos astronomijos draugijai Sietle.

Kelios komandos naudoja JWST, kad pažvelgtų į pirmykštę tamsą, kur senovės galaktikos galėtų atskleisti naujos informacijos apie visatos sukūrimo istoriją. Ši istorija prasideda sprogimu maždaug prieš 13,7 milijardo metų, o žvaigždės, planetos ir žmonės, šiandien gyvenantys visatoje, yra milijardų ir milijardų metų kosminės evoliucijos produktai. Tačiau jų šaknys pasodintos kosminėje vaikystėje, paslėptos už dulkių šydo. JWST su itin jautria infraraudonųjų spindulių akimi buvo sukurtas šiam šydui pramušti.

Astronomai, kurie džiaugiasi ankstyva JWST sėkme, nekantrauja sužinoti, kiek toli jis gali matyti. Jau dabar galaktikos, kurios mirgėjo laiko pradžioje, turi naujų paslapčių.

„Jo siaubingai daug – per daug, per didelis, per šviesus, per karštas, per subrendęs ir per anksti“, – per AAS susitikimą Sietle sakė NASA JWST projekto vadovas Johnas Matheris.

Pažvelkite per erdvę ir laiką

Tokie teleskopai kaip JWST yra kaip laiko mašinos. Žvelgdami į didelius atstumus, jie taip pat žvelgia atgal į laiką. Užfiksuota šviesa atskleidžia objektus tokius, kokie jie pasirodė pirmą kartą sužibėję, kartais prieš milijonus ar milijardus metų.

Kai šviesa keliauja per besiplečiantį kosmosą, ji ištempiama iki ilgesnių, raudonesnių bangų ilgių. Astronomai gali išmatuoti šio ruožo, vadinamo raudonuoju poslinkiu, mastą, kuris gali būti naudojamas objekto atstumui apskaičiuoti. Didesnis raudonasis poslinkis reiškia, kad objektas yra toliau.

Didelio raudonojo poslinkio kosminių objektų tyrimas yra vienas didžiausių JWST prioritetų. Teleskopas, esantis už milijono mylių nuo Žemės, mato infraraudonuosius spindulius, todėl idealiai tinka ilgesnių, raudonesnių bangų ilgiams aptikti. JWST pastebėtos galaktikos jau verčia astronomus permąstyti, kas yra didelis raudonasis poslinkis arba „didelis z“.

„JWST visiškai pakeitė mūsų aukštojo z apibrėžimą“, – elektroniniame laiške rašė Guido Robertsas-Borsani iš Kalifornijos universiteto Los Andžele. Pasak jo, 2015 m. tolimiausių žinomų galaktikų raudonojo poslinkio reikšmės buvo 8 arba 9. Bet tada Hablo kosminis teleskopas pastebėjo galaktiką, vėliau pavadintą GN-z11, aplink raudonąjį poslinkį 11. ir nustūmė pirmąsias galaktikas dar labiau atgal laiku.

„Dabar JWST tai užtemdė“, – sako Robertsas-Borsanis, o raudonojo poslinkio riba buvo perkelta į 12 arba 13 vertes, o tai prilygsta maždaug 13,3 arba 13,4 milijardo metų.

Ieškant raudonos

Dešimtmečius astronomai stengėsi rasti labiausiai raudoną poslinkį turinčias galaktikas, pirmiausia naudodami Hablo ir Spitzerio kosminius teleskopus, o dabar ir JWST. Konkurencija tarp komandų, pretenduojančių į rekordininką, visada buvo gana arši, nors tai gali pasikeisti. Kai Hertfordšyro universiteto (Anglija) astrofizikė Emma Curtis-Lake gruodžio mėnesį moksliniame susitikime Baltimorės Kosminio teleskopo mokslo institute pristatė rekordines naujas galaktikas, visa astronomų salė aiktelėjo iš džiaugsmo.

„Perėjome prie visiškai naujo režimo – tai pirmas kartas, kai gavome patvirtinimą apie kažką toliau, nei Hablas galėjo pamatyti, ir tai tik pradžia“, – sakė JWST Advanced Deep Extragalactic narys Curtisas-Lake’as. Apklausos (JADES) bendradarbiavimas, pasakojama Nacionalinė geografija.

Vasarą JADES tyrinėjo gerai ištirtą pietų dangaus dalį – legendinio Hablo itin gilaus lauko dalį – ieškodama pirmykščių galaktikų. Bendradarbiaujantys galaktikų medžiotojai pirmiausia ištyrė visas 100 000 galaktikų vaizde, užfiksuotame JWST artimųjų infraraudonųjų spindulių kamera. Šis prietaisas gali išmatuoti apskaičiuotus raudonuosius poslinkius pagal galaktikos šviesą, matomą per skirtingus filtrus. Tada jie nukreipė kitą instrumentą – JWST artimojo infraraudonųjų spindulių spektrometrą – į labiausiai intriguojančius taikinius.

Spektrometras gali atskleisti tikslų galaktikos raudonąjį poslinkį, taigi ir jos amžių bei atstumą, remiantis būdingais galaktikų šviesos spektro lūžiais. Šie spektroskopiniai matavimai yra daug tikslesni, sako Brantas Robertsonas, JADES komandos narys iš Kalifornijos universiteto Santa Kruze, todėl astronomai juos laiko galaktikos raudonojo poslinkio patvirtinimu.

Curtis-Lake’as, Robertsonas ir jų kolegos patvirtino atstumus iki keturių galaktikų, apgyvendinusių ankstyvąjį kosmosą, kai jam tebuvo 300 ar 400 milijonų metų. Du iš jų, nors ir toli gražu, taip pat buvo šnipinėti Hablo. Kiti du yra toliau nei bet kas, kurį galėjo matyti Hablas, o raudonasis poslinkis yra 12,6 ir 13,2. Šios galaktikos daugiausia sudarytos iš lengvesnių elementų, tokių kaip vandenilis ir helis, nes jie egzistavo anksčiau nei spėjo susiformuoti dideli kiekiai sunkesnių elementų.

„Jie tarsi maži kūdikiai visatoje, kuri dar tikrai neprasidėjo“, – sako Curtisas-Lake’as.

Primityvių galaktikų šeima

Astronomai, dirbantys su kitu ankstyvu galaktikų tyrimu – „Cosmic Evolution Early Release Science“ (CEERS) programa, AAS susitikime paskelbė patvirtinę daugiau galaktikų, kurių daugelis patenka tarp 8 ir 9 raudonojo poslinkio. Pirmoji CEERS mozaika, kurią sudaro 690 atskirų vaizdų, kuriuose detalizuojamas dangaus lopinėlis šalia Dippero gniaužtų, yra didžiausias iki šiol išleistas JWST galaktikos tyrimo vaizdas.

„Jūs praleisite daug laiko priartindami prie šių vaizdų“, – įspėjo Baltimorės astronomus Steve’as Finkelsteinas iš Teksaso universiteto Ostino. „Galite smagiai praleisti laiką“.

Nors nė viena iš patvirtintų CEERS galaktikų nėra taip toli, kaip keturios, kurias pastebėjo JADES, nepatvirtinta galaktika, kurią astronomai vis dar tyrinėja, gali būti labai toli. Kandidatas atrodo kaip taškelis, kurio raudonasis poslinkis yra 16, o tai reiškia, kad jis gali būti neįtikėtinai jaunas ir tolimas. Komanda taip pat atskleidė pomidoro formos galaktiką, kurios raudonasis poslinkis yra 12, dabar Finkelsteino dukters vardu vadinama Maisie galaktika.

„Jis buvo tikrai tinkamas kandidatas ir buvo verta apie tai parašyti per mano dukters gimtadienį, taigi, tai Meisie galaktika“, – per susitikimą paaiškino jis. Baltimore.

Abi šios galaktikos laukia spektroskopinio patvirtinimo, o tuo tarpu kitos komandos užsiima didelio raudonojo poslinkio kandidatų nustatymu tarp kitų ankstyvųjų JWST vaizdų. Viena tokių komandų, vadovaujama Haojing Yan iš Misūrio universiteto, teigia pastebėjusi 87 galaktikas, apimančias raudonąjį poslinkį nuo 11 iki 20. Šie kandidatai taip pat laukia patvirtinimo.

„Lažinuosi 20 USD ir alaus – labai didelio alaus – kad sėkmės rodiklis turėtų viršyti 50 procentų“, – AAS susitikime žurnalistams sakė Yanas.

Jei net maža dalis šių galaktikų kandidatų pasirodys taip nutolusios, kaip iš pradžių buvo prognozuota, sako Yanas, „mūsų anksčiau turėtas privilegijuotas galaktikų formavimosi ankstyvojoje visatoje vaizdas turi būti peržiūrėtas“.

Išbandykite gamtos dėsnius

Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad ankstyvoji visata buvo nuostabiau sugalvojusi žvaigždes ir galaktikas, nei mokslininkai tikėjosi.

„Galaktikų, kurias aptinkame ties šiais raudonaisiais poslinkiais, yra daugiau, nei tikėjomės remiantis ankstesniais stebėjimais, be to, jos yra ryškesnės, nei tikėjomės esant šiems raudoniesiems poslinkiams“, – rašo Robertsas-Borsanis. „Kad atitiktų šį „naują“ vaizdą, galaktikos turėjo pradėti formuotis anksčiau ir greičiau, nei manyta anksčiau.

Roberts-Borsani yra GLASS-JWST bendradarbiavimo narys, kuris taip pat ieško didelio raudonojo poslinkio galaktikų ir tiria jas, kad suprastų kosminę evoliuciją. Bendradarbiaujant GLASS buvo ištirtas dangaus lopinėlis, esantis už didžiulio galaktikų spiečiaus, o komanda jau atrado keletą, atrodytų, pirmykščių galaktikų, daugiau nei prognozavo modeliavimas. „Kažkas ten yra šiek tiek keisto“, – sakė Robertsas-Borsanis Baltimore Astronomers.

Tačiau, anot jo, yra būdų, kaip paaiškinti akivaizdų perteklių nepažeidžiant šiuo metu nustatytų visatos dėsnių. Teleskopai, tokie kaip JWST, vienu metu gali vaizduoti tik mažas dangaus sritis, todėl atsitiktinai komandos gali tyrinėti dangaus dalis, kuriose neįprastai pilna galaktikų. Kita galimybė yra ta, kad šios ankstyvosios galaktikos yra tiesiog ryškesnės nei tikėtasi, galbūt todėl, kad žvaigždžių formavimasis veikė kitaip, nei manyta anksčiau. Trečias paaiškinimas yra tas, kad Hablo stebėjimais pagrįsti įvertinimai yra neišsamūs dėl ribotų Hablo stebėjimo galimybių ir galbūt dėl ​​kol kas nepaaiškintų priežasčių ankstyvoji visata buvo efektyvesnė, nei tikėtasi, uždegdama šviesas.

Atsakymus į šiuos klausimus galima rasti būsimuose tyrimuose. Iki šiol, sako Finkelsteinas, JWST parodė astronomams, kad ankstyvoji visata buvo „daugiau pilna žvaigždžių, nei mes manėme!