В далекой-предалекой галактике под названием MACS1149-JD1, расположенной в 13,28 миллиарда световых лет от нас, астрономы нашли кислород, который, по их мнению, мог появиться там спустя всего 500 миллионов лет после Большого взрыва. Ученые, написавшие об этом открытии статью в журнале Nature, говорят, что это самое раннее по шкале возраста Вселенной обнаружение кислорода. Более того, открытая исследователями галактика стала самой далекой галактикой с надежно определенным расстоянием. Модели показывают, что первые звезды в ней начали формироваться более 13,5 миллиарда лет назад.
После Большого взрыва во Вселенной происходили сложные процессы — сначала рождались кварки, адроны и другие субатомные частицы, а вслед за ними появлялись первые атомы, которые вошли в состав первичного звездного вещества. Когда произошла рекомбинация водорода и Вселенная начала охлаждаться, она погрузилась в «темные века». Тогда еще не зажглись первые звезды и не родились квазары — активные ядра галактик со сверхмассивной черной дырой внутри. Эта эпоха завершилась «космическим рассветом» — возникновением древних галактик, которые мы регистрируем сегодня. Их поиск важен для того, чтобы определить, как происходила эволюция Вселенной и основных химических элементов.
Международная группа астрономов под руководством Такуя Хашимото из Университета Саньо в Осаке наблюдала с помощью телескопа ALMA за очень далекой галактикой MACS1149-JD1 и обнаружила очень слабое свечение ионизованного кислорода. Вследствие расширения Вселенной длина волны изначально инфракрасного излучения за время его путешествия в пространстве увеличилась более чем в десять раз. Красное смещение источника указало, что зарегистрированный учеными сигнал был испущен 13,3 миллиарда лет назад, или спустя всего 500 миллионов лет после Большого Взрыва. Это наибольшее расстояние, на котором когда-либо регистрировался кислород, и его присутствие показывает, что в этой галактике должны существовать и более ранние поколения звезд.
Вдобавок к излучению кислорода, зарегистрированному на ALMA, исследователи заметили и более слабое излучение водорода с помощью телескопа VLT. Расстояние до галактики, определенное по этим наблюдениям, согласуется с тем, которое было получено по линии кислорода. Таким образом, MACS1149-JD1 оказывается самой далекой галактикой с надежно определенным расстоянием и самой далекой галактикой, когда-либо наблюдавшейся на ALMA или VLT.
Первое увеличенное изображение показывает то, какой галактику MACS1149-JD1 увидел телескоп VLT Европейской южной обсерватории; второе – то, какой эту галактику увидел космический телескоп «Хаббл». Белыми контурами показаны зоны ионизованного кислорода, которые увидел телескоп ALMA
«Мы видим эту галактику в эпоху, когда Вселенной было всего 500 миллионов лет — и оказывается, что в это время она уже была населена зрелыми звездами», — объясняет Николя Лапорт, второй автор статьи.
«Мы можем использовать эту галактику для зондирования более раннего, полностью неизвестного периода космической истории».
В течение некоторого времени после Большого Взрыва во Вселенной не было кислорода: он появился в результате процессов синтеза в недрах первых звезд и потом, когда происходили вспышки сверхновых, рассеивался в пространстве. Регистрация кислорода в MACS1149-JD1 показывает, что всего через 500 миллионов лет после начала Вселенной эти ранние поколения звезд уже сформировались и успели произвести достаточно много кислорода. Чтобы выяснить, когда первые светила начали зарождаться, исследователи реконструировали раннюю историю MACS1149-JD1 по инфракрасным данным, полученным телескопами «Хаббл» и «Спитцер». Оказалось, что наблюдаемую яркость галактики хорошо объясняет модель, где начало звездообразования относится к эпохе спустя всего 250 миллионов лет после Большого взрыва. При этом сегодня считается, что «темные века» наступили через 377 миллионов лет после рождения Вселенной — то есть следует предполагать, что MACS1149-JD1 начала формироваться еще в эпоху рекомбинации.
Таким образом, MACS1149-JD1 заставляет ученых задаться вопросом о том, когда возникли первые галактики. Возраст открытого ими объекта указывает на то, что они существовали задолго до той эпохи, на которой мы способны сейчас их регистрировать.
В прошлом самый далекий кислород был обнаружен в галактике, которая родилась спустя 700 миллионов лет после Большого взрыва. Его количество, согласно оценкам исследователей, оказалось примерно в десять раз меньше наблюдаемого количества кислорода в Солнце.