В середине июля на ежегодной конференции Геологического общества Великобритании
группа астрофизиков из Калифорнийского технологического университета в Пасадене,
возглавляемая Ричардом Эллисом, сообщила о том, что ей удалось получить изображения
сразу нескольких древнейших галактик нашей Вселенной, первые звезды в которых
зажглись менее чем через 500 миллионов лет после Большого Взрыва. То есть 13,2
млрд лет назад.
Если дальнейшие исследования эти предположения подтвердят, можно будет говорить
об одном из крупнейших достижений современной астрофизики, вносящих серьезные
коррективы в официальную хронологию процессов, происходивших в ранней Вселенной.
Темная эпоха
Как полагает большинство современных космологов, пресловутый Большой Взрыв, давший
начало нашей Вселенной, произошел 13,66 млрд лет назад. Благодаря предложенной
Андреем Линде и его коллегами теории хаотической инфляции у ученых к настоящему
времени сложилось достаточно детальное представление о том, что и как происходило
с новорожденной Вселенной вплоть до окончания эпохи нуклеосинтеза (образования
легких ядер с атомным весом A<5), заключительной стадии процессов, происходивших
в течение трех с небольшим минут после ее возникновения.
Однако дальнейшая история ранней Вселенной, исчисляемая уже не минутами, а тысячами
и даже миллионами лет, до сих пор полна загадок и вопросов, ответить на которые
при помощи одних только лабораторных физических экспериментов уже не представляется
возможным.
Следующая после нуклеосинтеза эпоха, представляющая огромный интерес для современной
космологии, — это эпоха доминирования темной (или скрытой) материи, о физической
природе которой ученые все еще не могут сказать ничего путного. Принято считать,
что в эту эпоху вся Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из
частиц скрытой материи, протонов, электронов, фотонов и некоторого количества
легких ядер. И эта сверхплотная плазма играла роль "оптической ловушки", не дававшей
световым волнам свободно распространяться в космическом пространстве: фотоны постоянно
сталкивались с электронами и протонами, рассеивались, меняли направление своего
движения и частоту.
Через несколько сотен тысяч лет благодаря стремительному расширению вещества
Вселенной его температура снизилась до нескольких тысяч градусов по Кельвину и
наступила так называемая эпоха рекомбинации: электроны наконец стали объединяться
с ядрами, образуя нейтральные атомы (прежде всего атомы водорода).
В результате рекомбинации плазма постепенно исчезла, и космическое вещество на
некоторое время стало прозрачным в радиодиапазоне (рассеянные в эту эпоху фотоны
образовали реликтовое излучение, которое почти беспрепятственно доходит до нас
в виде радиоволн).
Впрочем, прозрачным космическое вещество было относительно недолго: оставаясь
практически однородным, оно продолжало быстро остывать и уже не излучало. Наступила
"темная эпоха", пожалуй, самый таинственный период истории Вселенной. В течение
последующих нескольких сотен миллионов лет она, как стыдливо отмечает ряд космологов,
"просто расширялась дальше", пока под действием гравитации мелкие неоднородности
плотности вещества не достигли неких критических величин, инициировавших термоядерный
синтез и рождение первых звезд и звездных скоплений — галактик.
Компьютерное моделирование процессов, происходивших в "темную эпоху", позволило
выдвинуть гипотезу: первые звезды нашей Вселенной были гигантскими объектами с
массами в миллионы масс Солнца. Благодаря более чем внушительному весу эти звезды
(голубые гиганты) быстро разогревались до очень высоких температур и потому проходили
полный эволюционный цикл в течение всего нескольких десятков миллионов лет, взрываясь
затем как сверхновые.
Нагретые до огромных температур поверхности этих звезд порождали мощные потоки
ультрафиолетового излучения, которые произвели так называемую повторную ионизацию
атомов, находящихся в свободном от звезд космическом пространстве. Кроме того,
эти гигантские звезды послужили первыми во Вселенной источниками более тяжелых,
чем литий, химических элементов. Затем появилась возможность формирования звезд
второго поколения, содержащих ядра этих более тяжелых атомов.
Они и звезды последующих поколений уже не были столь массивными и горячими, как
звезды первого поколения, поэтому потоки ультрафиолетового ионизирующего излучения
от них были значительно меньше. Итог этого длительного процесса — повторная рекомбинация
большинства атомов межзвездного и межгалактического газов: пространство вновь
стало по преимуществу прозрачным для электромагнитного излучения во всех его спектральных
диапазонах. Иными словами, лишь по окончании "темной эпохи" наша Вселенная наконец
приобрела знакомые нам по современным наблюдениям физические характеристики.
Охота за древнейшими галактиками
Еще сравнительно недавно многие космологи полагали, что общая длительность "темной
эпохи" составляет порядка миллиарда лет. К такому выводу их прежде всего подталкивало
отсутствие достоверной информации о существовании в ранней Вселенной крупных космических
объектов (галактик), образовавшихся задолго до этой временной отметки.
Соответственно, наиболее популярной в космологии была такая точка зрения: повторная
ионизация атомов, приведшая к окончанию "темной эпохи", была по большей части
осуществлена объектами, величина красного смещения которых составляла не более
6 единиц, то есть звездами и звездными скоплениями, образовавшимися не ранее чем
через 900 млн лет после Большого Взрыва.
Лишь в сентябре 2006 года группа астрофизиков из Японской национальной обсерватории
под руководством Масанори Ийе сообщила, что ей впервые удалось обнаружить галактику
(условное наименование IOK-1), величина красного смещения которой практически
равна 7. Такая величина красного смещения, при условии что Большой Взрыв предположительно
произошел 13,66 млрд лет назад, означает, что IOK-1 образовалась не позднее чем
через 750 млн лет после возникновения нашей Вселенной.
До того как в июле этого года было официально объявлено об открытии учеными под
руководством Ричарда Эллиса группы галактик, величина красного смещения которых
оценочно составляет около 9 единиц (из чего следует, что звезды в этих галактиках
образовались по прошествии не более 500 млн лет с момента Большого Взрыва), астрофизическая
охота за более древними звездными скоплениями была безрезультатной. Непобиваемый
возрастной рекорд IOK-1 представлялся ученым очевидным доказательством чрезмерной
затянутости "темной эпохи".
Древнейшие галактики были обнаружены Эллисом и его коллегами при помощи мощного
телескопа Keck II Гавайской обсерватории в Мауна Кеа благодаря использованию достаточно
традиционного для современной космологии метода гравитационного линзирования,
то есть применению эффекта искривления световых лучей, проходящих вблизи массивных
объектов. Гравитационные линзы объясняют образование кратных изображений одного
и того же астрономического объекта (квазаров, галактик и т. п.), когда на луч
зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик
(собственно линза).
За три года, в течение которых производилось тщательное обследование выбранного
участка звездного неба, группа Эллиса выявила шесть галактик-кандидатов, и по
двум, Abell 68 c1 и Abell 2219 c1, уже получены убедительные доказательства их
рекордного возраста. По оценкам исследователей, эти объекты представляют собой
довольно тусклые звездные скопления, совокупная мощность излучения которых лишь
в несколько миллионов раз превышает мощность, вырабатываемую Солнцем (для сравнения:
общая световая выработка нашей галактики Млечный Путь составляет порядка 100 млрд
так называемых солнечных единиц).
Причем следует сразу уточнить, что это неожиданное открытие американских астрофизиков
важно не только и даже не столько тем, что наконец найдены более древние, чем
IOK-1, галактики. Более ценным представляется тот факт, что эти галактики были
идентифицированы на очень небольшом исследованном участке звездного неба. Отсюда,
по идее, можно предположить, что дальнейшие поиски с очень высокой вероятностью
должны привести к открытию гораздо большего числа звездных скоплений преклонного
возраста.
В частности, косвенным подтверждением неслучайности полученных группой Эллиса
данных может служить прошедшая в ряде недавних публикаций информация о предварительных
итогах исследования других линзирующих галактик. Эти галактики были обнаружены
космическими телескопами Hubble и Spitzer в ходе исследований, проведенных коллегой
Эллиса по Калифорнийскому технологическому университету Йоханом Ричардом: по словам
Ричарда, ему также удалось обнаружить несколько звездных скоплений со схожими
величинами красного смещения.
Таким образом, если эти открытия будут подкреплены новыми вескими доказательствами,
можно будет сделать вывод, что уже в очень ранней (до 500 млн лет после Большого
Взрыва) Вселенной существовали многочисленные галактики, которые внесли серьезный
вклад в прочистку космического пространства (повторную ионизацию всего межгалактического
вещества), положившую конец пресловутой "темной эпохе".
