Вскоре после большого взрыва Вселенная была очень живой: огромные галактики образовывали массу звезд. Теперь исследователи обнаружили удивительное количество галактик.
Тот, кто ищет, находит. Иногда даже больше, чем надеялись. То же самое произошло с Тао Вангом из Института астрономии Токийского университета и его коллегами: с помощью радиотелескопа ALMA в чилийской пустыне Атакама они искали чрезвычайно далекие галактики, которые не видны в оптическом свете, хотя они предположительно являются тяжеловесами. Исследователи действительно разыскали некоторых из этих гигантов и, таким образом, бросают вызов космологии.
Теперь необходимо объяснить, как гигантские галактики в большом количестве могли появиться так рано и как они образовали так много звезд так рано. Хотя излучение, захваченное ALMA, исходит из времени, когда Вселенной было уже несколько миллиардов лет. В это время гигантские галактики уже существовали длительное время: Мафусаил был создан через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
Гиганты из космических ранних дней
С точки зрения космоса, это абсолютный ранний возраст, ведь сегодня Вселенной уже 13,8 миллиардов лет. До сих пор эксперты предполагали, что галактики были тогда довольно скудными структурами. Недавнее открытие ставит под сомнение эту картину: «С точки зрения господствующей теории очень трудно понять, почему так много пыли уже существует в этих молодых галактиках и почему в раннем космосе было так много массивных галактик», - говорит Ван. «Наше открытие было довольно неожиданным».
Пока что космологи представляют эволюцию космоса следующим образом: после Большого взрыва Вселенная почти полностью состояла из водорода и гелия - легких газов, которые распределялись более или менее равномерно. Лишь постепенно эти газовые облака разрушились, образовав кое-где первые галактики. Внутри наконец сформировались звезды. Исследователи называют эту эпоху «космическим рассветом». Это было время, когда впервые звездный свет осветил доселе темный и довольно однообразный космос. Это произошло примерно через миллиард лет после большого взрыва.
Спустя два-три миллиарда лет звездообразование достигло кульминации - «космического полдня». К этому времени взрывы сверхновых звезд от мега-звезд бросили огромное количество инкубируемых элементов, таких как углерод, кислород или кремний в космос. Эта звездная пыль затмила свет новых звезд.
Остальное - длинная история Космического дня: сегодня, спустя около десяти миллиардов лет, вселенная полна галактик всех размеров. В них есть также звезды более поздних поколений, такие как наше Солнце, кроме того много пыли, планет.
Самый сложный проект Хаббла
Долгое время астрономы пытались подтвердить эту версию космической истории наблюдениями. Между 2010 и 2013 годами они направили космический телескоп Хаббла в пять различных областей неба и сделали чрезвычайно многочисленные снимки. Вместе они собирали легкие частицы из 250 000 галактик в течение четырех месяцев - крупнейшего отдельного проекта за долгий срок службы Хаббла.
За этим стоит идея: если вы фотографируете галактики, которые находятся достаточно далеко, то вы видите их в состоянии, в котором они были более десяти миллиардов лет назад. Результатом является CANDELS, глубокий внегалактический обзор наследия в космическом пространстве. Это самое глубокое исследование «детской вселенной» между космическим «утром» и «полуднем».
Наблюдения Хаббла сами по себе вполне соответствуют «виртуальным вселенным», которые создают космологи с помощью суперкомпьютеров. Одна из самых больших из этих симуляций была представлена учеными под руководством Марка Фогельсбергера из Массачусетского технологического института и Фолькера Спрингеля из Института астрофизики Макса Планка в 2018 году: Illustris TNG . Искусственная вселенная действительно выполнена очень хорошо. Количество, размер и распределение галактик с компьютера соответствуют тому, что астрономы наблюдают в небе.
Модель отличается от настоящей вселенной
Однако есть и отклонения, которые особенно интересны для экспертов. Потому что они могли указать на ошибки в наших представлениях о вселенной. Например, моделирование предсказывает, что через один-три миллиарда лет после Большого взрыва уже должны существовать очень массивные галактики с очень высоким образованием звезд.
Взгляд в космос сегодня подтверждает, что: около 55 миллионов световых лет от нас (что соответствует космическим масштабам) ведет галактику Мессье 87 (M87) через пространство. Недавно она стала знаменитой, когда радиоастрономы смогли сделать снимок черной дыры в их центре .
Он весит более шести миллиардов солнц. Однако это лишь малая часть M87, масса астрофизиков которой оценивается во многие триллионы солнечных масс. В то же время М87 так же хорош, как сгоревший: новые звезды здесь почти не создаются. Звезды, которые заставляют ее светиться, старые и прохладные. Так что галактика - это что-то вроде гигантского звездного дома престарелых.
Для сравнения, наш примерно такой же старый, но гораздо более легкий Млечный Путь держался на удивление хорошо. Новые звезды все еще здесь сегодня, как вы можете видеть в популярной у астрономов-любителей Великой туманности Ориона.
Эти поразительные различия могут быть объяснены только тем фактом, что M87 и другие галактики в классе "дома престарелых" имели свои лучшие дни намного раньше, чем Млечный путь, например, в эпоху, которую Хаббл исследовал в рамках проекта CANDELS.
Здесь, однако, возникла проблема: гигантские галактики не появляются на изображениях Хаббла. С помощью инфракрасного телескопа Спитцер был найден ряд объектов, которые можно считать предшественниками галактик, таких как M87. Они излучают не видимый свет, а длинноволновое инфракрасное излучение. Для камер Хаббла, которые захватывают только короткие инфракрасные волны и видимый свет, они невидимы.
Могут ли это быть разыскиваемые гигантские галактики? Тао Ванг и его коллеги исследовали этот вопрос с помощью сети радиотелескопа ALMA . С 2013 года 66 антенн в пустыне Атакама наблюдали за небом в свете миллиметрового и субмиллиметрового радиоизлучения. Он даже длиннее волны, чем дальний инфракрасный свет Спитцера, и поэтому идеально подходит для изучения оптически невидимых объектов.
Причиной этого является прежде всего космическое расширение: оно расширяет свет галактики, в результате чего увеличивается ее длина волны: излучение, первоначально излучаемое в виде видимого света соответственно далекой галактики, поступает с нами в виде инфракрасного или субмиллиметрового излучения. Это объясняет, почему Хаббл не может видеть объекты.
Действительно, с помощью ALMA 39 Тао и его коллеги определили объекты Спитцера как очень ранние массивные галактики. Некоторые из них произвели миллиарды лет после большого взрыва вокруг 200 солнечных масс новых звезд в год. Для сравнения, в Млечном Пути от массы нашего Солнца ежегодно образуется от одной до двух новых звезд. Это делает теперь открытые галактики возможными предшественниками сегодняшних гигантов, таких как M87.
Проблема решена? Не совсем так
Но вместо того, чтобы решить проблему , это открытие создает два новых. А именно, Тао и его команда обнаружили в 10-100 раз больше гигантских галактик, чем ожидалось, согласно Illustris TNG или другим космологическим моделированиям. Исследователи не ожидали такого большого количества.
Вторая проблема касается пыли. Чтобы получить огромные количества, которые астрономы в галактиках смогли обнаружить, в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, должно быть, возникло и прошло гораздо больше звезд, чем постулат моделирования.
Такое явное отклонение от ожиданий обычно указывает на необходимость пересмотра теории. По крайней мере, если наблюдения верны - что должны показать будущие исследования с ALMA и другими инструментами. Конечно, ученые не опечалены этим. Поскольку известна космологическая стандартная модель, которая в конечном итоге является основой для моделирования, такого как Illustris TNG, имеет слабые места .
Таким образом, виртуальный и реальный космос, по-видимому, работают, только если космологи постулируют значительное количество зловещей темной материи - без них у вселенной просто не было бы достаточно времени для формирования достаточного количества галактик в течение 13,8 миллиардов лет.
Хотя существуют и другие признаки существования этого темного материала, но его природа и точные характеристики общеизвестны для исследователей. Добавьте к этому хотя бы таинственную энергию, влияние которой все быстрее и быстрее продвигает расширение вселенной. Взятые вместе, около 95 процентов материального и энергетического состава Вселенной состоит из «темных» веществ, которые мы не знаем, что это такое. Нет удовлетворительной ситуации.
Возможно, наблюдения Тао и его команды предполагают, что темная материя обладает деталями, отличными от ранее предположенных космологами? Если это так, наблюдения могут даже помочь прояснить природу этого неясного материала.
Ясно, что наши знания о событиях между космическим утром и полуднем все еще отрывочны.
