Когда Рохан Найду из Гарварда увидел галактику, первое, что он сделал, это сообщил своему коллеге Паскалю Оешу, профессору космологии из Женевского университета в Швейцарии. Второе, что он сделал, - позвонил своей девушке.
"Хотели бы вы стать вторым человеком, увидевшим потенциально самую отдаленную галактику из когда-либо известных?" - спрашивает Найду. вспоминает Найду, спрашивая ее. Она посмотрела, нашла это "немного ошеломляющим", говорит он, и вернулась к просмотру телевизора. "Но она пришла в себя", - говорит он со смехом.
Кандидат в галактики, о котором идет речь, GLASS-z13, выглядит не очень привлекательно для неподготовленного глаза. Просто красное пятно света. Но именно этот непритязательный вид и привлек внимание Найду. Именно такой он ожидает увидеть галактику, существовавшую 13,5 миллиардов лет назад, которая находится почти на пределе наших возможностей для обнаружения, с точки зрения космического телескопа Джеймса Вебба (JWST).
После того, как на прошлой неделе была обнародована первая партия данных с JWST, Найду, который является постдокторским исследователем в Центре астрофизики | Гарвардском и Смитсоновском университетах, проводил каждый час бодрствования, фильтруя данные для поиска самых далеких галактик из когда-либо обнаруженных. Он не высыпался, но его усилия окупились.
19 июля Найду вместе с коллегами со всего мира опубликовал в открытом доступе на платформе arXiv статью, которая, не дожидаясь экспертной оценки, описывает две такие галактики-кандидата. По его оценкам, возраст одной из них составляет около 13,5 миллиардов лет, что делает ее самой далекой из когда-либо обнаруженных галактик. Это означает, что система GLASS-z13 существовала, возможно, уже через 300 миллионов лет после Большого взрыва, который, как считается, произошел 13,8 миллиарда лет назад. Таким образом, GLASS-z13 открывает перед астрономами невиданный ранее взгляд на ранний период существования Вселенной. И это уже бросает вызов существующим представлениям о самых ранних галактиках.
"Я не мог поверить своим глазам", - говорит Найду о том, как впервые увидел GLASS-z13 в данных JWST. Он сразу же заметил, что она яркая и четкая, что несколько удивило его. "Несмотря на то, что Вселенная так молода, эти объекты успели совершить своего рода скачок роста и стать такими яркими и массивными так быстро".
Найду осторожно описывает GLASS-z13 как "галактику-кандидат", поскольку анализ, проведенный командой на основе первой партии данных JWST, еще должен быть подтвержден последующими наблюдениями. Однако в тот же день, когда Найду выложил исследование в arXiv, другая группа исследователей независимо друг от друга опубликовала отчет, в котором описываются те же галактики-кандидаты, а также говорится, что они являются самыми удаленными галактиками, которые мы когда-либо видели.
"Если две независимые группы видят это, то это придает уверенности", - говорит Ренске Смит, астрофизик из Ливерпульского университета Джона Мурса в Англии, который не участвовал в работе над обеими статьями. Тем не менее, она говорит: "Я думаю, нам нужно однозначное подтверждение того, что эти галактики образовались так рано во Вселенной".
Это подтверждение, по словам Смита, будет получено в ходе последующих наблюдений JWST, которые более внимательно изучат спектр света, исходящего от GLASS-z13.
Необрезанная версия колоризованного изображения GLASS-z13 JWST. GLASS-z13: Naidu et al. 2022, Castellano et al. 2022; необработанные данные: Т. Треу (Калифорнийский университет) и GLASS-JWST. NASA/CSA/ESA/STScI; Цветные изображения: П. Оеш и Г. Браммер (Женевский университет и Центр "Космический рассвет", NBI, Копенгагенский университет).Наиду и его коллеги первоначально определили расстояние до галактики-кандидата, посмотрев на этот участок неба в нескольких различных инфракрасных диапазонах волн. Когда свет проходит через время и пространство, его длины волн растягиваются и становятся длиннее. Поэтому их свет кажется более красным, что называется "красным смещением". Галактика, находящаяся далеко-далеко от нас, будет казаться нам более красной, чем аналогичная галактика, находящаяся рядом. Ученые оценили, как далеко пролетел свет от GLASS-z13, определив, насколько он, вероятно, сместился.
JWST, подобно паре ночных очков, предназначен для улавливания слабых тепловых признаков, обнаруженных в более длинных инфракрасных волнах света. Но это означает, что телескоп также находит старые, мертвые или умирающие галактики. Поскольку эти галактики холоднее молодых, они могут казаться совсем красными, даже если находятся поблизости, говорит Брук Симмонс, доцент кафедры астрофизики Ланкастерского университета, которая не принимала участия в работе над новой статьей. Но Симмонс считает, что авторы исследования проделали "разумную работу", пытаясь учесть это; если бы система была из "средневозрастной части Вселенной", говорит она, "мы бы все еще могли видеть ее в полосах [света] с более короткими длинами волн, а мы не видим".
Но краснота GLASS-z13 была не единственной подсказкой Найду, указывающей на то, что галактика-кандидат находится очень далеко. Он также заметил, что чего-то не хватает: самых синих фотонов.
В самой ранней Вселенной "океаны нейтрального водорода" поглощали фотоны глубокого синего цвета, оставляя после себя только частицы с более красными длинами волн, объясняет Найду. По его словам, недостающие фотоны соответствуют тем, которые поглощает водород, что позволяет предположить, что свет, который JWST увидел от GLASS-z13, действительно исходит из самых ранних частей Вселенной.
Найду и его коллеги уже работают над тем, чтобы получить время на JWST для проведения необходимых последующих наблюдений для подтверждения своих оценок. В ходе следующих наблюдений будут изучены определенные части спектра света, исходящего от GLASS-z13. Это позволит им более точно измерить красное смещение галактики-кандидата.
Характеристики GLASS-z13 уже поднимают новые вопросы для астрофизиков, изучающих ранние времена космоса. Прежде всего, внимание ученых привлекли его удивительная яркость и масса. По их оценкам, она примерно в 1 миллиард раз превышает массу нашего Солнца.
"Как можно так быстро собрать все звезды? Мы думаем, что для создания достаточно массивной галактики, в которой достаточно звезд, чтобы она была такой яркой, требуется время", - говорит Смит. "И поэтому либо звезды могут начать формироваться раньше, чем мы думали, либо эти галактики каким-то образом способны формировать звезды очень-очень быстро. Мы пока не знаем".
Некоторые научные модели также предсказывали, что подобные галактики будут встречаться крайне редко, говорит Найду. "Но здесь мы обнаружили две из них, расположенные не слишком далеко друг от друга".
Другая галактика-кандидат, описанная в статье Найду, под названием GLASS-z11, вероятно, находится на чуть меньшем расстоянии от Земли, чем GLASS-z13. Она также добавляет любопытную деталь: Она показывает намеки на переход к формированию спирального диска.
"Мы не ожидали, что дисковые галактики образуются так рано", - говорит Симмонс. "Несколько сотен миллионов лет - это очень короткий срок. Многие из нас ожидали, что будет много турбулентности, много хаоса, много вещей, просто собирающихся в области, которая имеет немного больше массы и поэтому имеет немного более сильную гравитацию, и она просто поглощает все вокруг себя, не обязательно в виде упорядоченной структуры, которая нужна для формирования когерентно вращающегося диска".
Это открытие, сделанное примерно через неделю после получения первых данных от JWST, - только начало. "Это не самые первые звезды или галактики", - говорит Смит. "В ближайшие годы нас ожидает еще много галактик-рекордсменов. Я думаю, что мы увидим и гораздо более далекие, гораздо более древние объекты, которые были звездами, сформировавшимися ближе к Большому взрыву".
Поправка (22 июля 2022 года): Эта статья была обновлена, чтобы отразить, что Паскаль Оеш теперь работает в Женевском университете, а не в Йельском университете.