Телескоп ALMA раскрыл тайну космоса, скрытую 700 миллионов лет после Большого взрыва

Человечество уже давно имеет примерное представление о том, как зародилась наша Вселенная. Однако многие нюансы до сих пор остаются в тайне от ученых. Сказываются не только ограничения земной науки, но и особенности течения времени в космосе, которые мешают нам узнать истинную историю происхождения многих небесных тел. К счастью, телескоп ALMA наконец приблизил нас к разгадке одной из самых давних тайн, которая оставалась таковой 700 миллионов лет после Большого взрыва, который и сам мог оказаться фикцией.

Человечество продолжает раскрывать самые странные тайны Вселенной

Почему нейтральный газ ранней Вселенной так долго оставался невидимым

Сразу спойлер: ALMA не обнаружил пришельцев с других планет. Он нашел нейтральный газ, который формировал первые звезды, которые могут быть старше, чем наша галактика. Но почему это так важно?

Десятилетиями учёные умели наблюдать звёзды и горячий ионизированный газ в далёких галактиках, постепенно восстанавливая главы космической истории. Но одна из ключевых составляющих эволюции галактик оставалась скрытой — нейтральный газ, который служит прямым топливом для образования звёзд.

Именно из этого резервуара рождаются новые звёзды, поэтому он центрально важен для понимания того, как собирались и развивались первые галактики, в том числе и наша. Проблема в том, что даже такие мощные обсерватории, как Джеймс Уэбб и Хаббл, не способны напрямую засечь этот нейтральный компонент.

Еще больше познавательных статей вы найдете в нашем Telegram-канале. Подпишитесь прямо сейчас!

Из-за этого учёным приходилось полагаться на косвенные индикаторы, которые могут появляться сразу из нескольких источников. А это создавало неопределённость: было непонятно, какие на самом деле условия царили внутри древних галактик. На огромных расстояниях задача только усложнялась — слабые сигналы становилось всё труднее выделить из общего шума.

Как ALMA поймала редкий сигнал кислорода из эпохи космического рассвета

Вот тот самый телескоп ALMA

Международная команда исследователей сосредоточилась на четырёх типичных звездообразующих галактиках из эпохи, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. С помощью радиотелескопа ALMA в Чили учёным удалось зафиксировать во всех четырёх галактиках эмиссионную линию [O I] на 145 микрометрах — то есть свечение нейтральных атомов кислорода.

А что об этом думаете вы? Присоединяйтесь к дискуссии в нашем Telegram-чате!

Этот сигнал считается одним из самых прямых индикаторов нейтрального газа, доступных астрономам. В отличие от популярной линии [C II], которая может исходить и из нейтральных, и из ионизированных областей, кислородный сигнал даёт более чистую картину вещества, реально участвующего в рождении звёзд.

Чтобы проверить выводы, исследователи дополнительно изучили линию [N II] на 205 микрометрах, которая отслеживает только ионизированный газ. Этот сигнал оказался очень слабым — а значит, основное свечение действительно шло от нейтрального газа. Так команда впервые с уверенностью выделила и изучила то самое неуловимое топливо внутри далёких галактик.

Что показало объединение данных ALMA и Джеймс Уэбб

Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal, и в нём наблюдения ALMA объединили с данными телескопа Джеймс Уэбб. Это позволило в мельчайших деталях изучить физические и химические свойства газа внутри древних галактик.

Галактика A1689-zD1, которую мы видим спустя 700 миллионов лет после Большого взрыва

Анализ показал, что нейтральный газ в этих галактиках был чрезвычайно плотным — сравнимым по плотности с современными галактиками-старбёрстами, одними из самых производительных «звёздных фабрик» во Вселенной. При этом окружающие поля излучения оказались менее интенсивными, чем обычно бывает у старбёрстов.

Получается портрет ранних галактик как компактных и богатых газом систем, способных поддерживать бурное звездообразование в условиях, заметно отличающихся от современных. Сравнивая кислородный и углеродный сигналы, учёные также смогли точнее истолковать ранее собранные данные по линии [C II]. Похоже, многие ранние галактики содержали большие запасы плотного нейтрального газа — идеальную среду для быстрого роста звёзд.

Самое далёкое прямое обнаружение нейтрального газа в истории

Значение открытия выходит далеко за пределы четырёх изученных галактик. Создав прямой метод поиска нейтрального газа на огромных расстояниях, исследователи открыли новый способ изучать то, как формировались галактики в самые ранние эпохи Вселенной.

Как подчеркнул доцент Ёсинобу Фудамото, это самое далёкое прямое обнаружение нейтрального газа в типичных звездообразующих галактиках на сегодняшний день. Более того, новый метод позволяет по-новому взглянуть на огромные архивы уже собранных наблюдений линии [C II] и использовать их как зонд для изучения нейтрального газа в ранней Вселенной.

Проще говоря, учёные получили возможность вернуться к старым измерениям и извлечь из них то, что раньше тонуло в неопределённости. Один из самых ходовых инструментов наблюдательной астрономии фактически стал гораздо более мощным.

Нейтральный газ как топливо первых звёзд

Последствия работы могут определять будущие исследования ранней Вселенной на годы вперёд. Доказав эффективность линии [O I] на 145 микрометрах, учёные проложили новый путь к изучению одного из самых неуловимых компонентов молодых галактик.

Как отметил доктор Акио К. Иноуэ, эта работа делает кислородную линию рабочим инструментом для изучения скрытого газа и открывает новое окно в «топливо» звездообразования. Дальнейшие обзоры неба должны значительно расширить выборку — пока речь идёт всего о четырёх галактиках.

Космос вообще полон масштабов, которые трудно осознать — будь то самый большой кран в мире или резервуары газа размером с галактику. И как когда-то огромные динозавры появились на Земле после неожиданного климатического сдвига, так и первые галактики выросли благодаря изобилию плотного газа в нужное время.

Объединяя данные ALMA, Джеймса Уэбба и будущих обсерваторий, астрономы надеются собрать полную хронологию того, как галактики накапливали газ, рождали звёзды и превращались в гигантские структуры, которые мы видим сегодня. Каждое новое обнаружение приближает нас к ответу на фундаментальный вопрос: как из последствий Большого взрыва возникли первые галактики и в конце концов появились системы вроде нашего Млечного Пути.