Самый глубокий 3D-полет НАСА по Вселенной

С сегодняшнего дня и до менее чем 400 миллионов лет после Большого взрыва мы наблюдаем, как Вселенная росла так, как никогда прежде.

Выводя нас за пределы возможностей любой предшествующей обсерватории, включая все наземные телескопы на Земле, а также Хаббл, JWST НАСА показал нам самые отдаленные галактики во Вселенной, когда-либо открытые. Если мы назначим трехмерные положения галактикам, которые были достаточно наблюдаемы и измерены, мы сможем построить визуализированный пролет Вселенной, как это позволяют нам сделать здесь данные CEERS от JWST. (В титрах: Фрэнк Саммерс (STScI), Грег Бэйкон (STScI), Джозеф ДеПаскуале (STScI), Лия Хастак (STScI), Джозеф Олмстед (STScI), Алисса Пэган (STScI); Научные авторы: Стив Финкельштейн (Университет Остина), Ребекка Ларсон (RIT), Микаэла Бэгли (Университет Остина))

В это трудно поверить, но всего 100 лет назад — в далеком 1923 году — человечество впервые осознало, что галактика Млечный Путь не охватывает всю Вселенную. Это ключевое открытие было сделано Эдвином Хабблом, который, наблюдая за тем, что тогда было известно как Великая туманность Андромеды, осознал, что периодическая световая “вспышка”, которую он наблюдал, была не новой звездой, как он первоначально думал, а скорее переменной звездой, расположенной намного, намного дальше, чем любая из наблюдаемых звезд. Звезды Млечного пути. Это было первое убедительное доказательство того, что эти спиральные (и эллиптические) туманности, наблюдавшиеся веками, на самом деле были самостоятельными галактиками, или, как их называли в то время, “островными вселенными”.

Сегодня мы знаем, что наблюдаемая Вселенная содержит несколько триллионов галактик, причем самые ранние из них относятся к тому времени, когда возраст Вселенной составлял менее 3% от ее нынешнего возраста. Хотя мы нанесли на карту лишь крошечную часть всех существующих галактик, мы увидели достаточно, чтобы не только описать, на что похожа Вселенная в каждый момент космической истории, но и составить трехмерные визуальные реконструкции, которые показывают, как галактики Вселенной появлялись и росли с течением времени.

Начало: Млечный путь

Наше путешествие по Вселенной начинается прямо здесь, дома, в пределах нашего собственного Млечного Пути. Одной из наиболее изученных частей Вселенной является ближайшая область вокруг нашего собственного Солнца, включающая звезды, туманности и другие объекты, расположенные всего в пределах нескольких тысяч световых лет от нас. В то время как отдельные звезды сами по себе могут быть точками света, о которых мы чаще всего думаем, когда смотрим ночью вверх, поскольку их легче всего наблюдать, наша галактика состоит из гораздо большего. Это включает в себя:

* газ,
* пыль,
* остатки
* звезд, области звездообразования
* и даже горячая ионизированная плазма.

Среди новых звезд, которые формируются по всему Млечному пути, преобладают лишь несколько крупных областей звездообразования, причем ближайшая к нам расположена в созвездии Ориона: большая туманность Ориона. Эта туманность, масса которой во много тысяч раз превышает массу нашей Солнечной системы, и внутри которой находится более 1000 новых молодых звезд, является лишь довольно типичным примером одной из областей звездообразования Млечного Пути. Она довольно похожа на другие плотные скопления газа, пыли и новых звезд, обнаруженные в нашем Млечном пути, включая туманность Омега, туманность Орел и туманность Киля, среди прочих.

Панорама всего неба Гайи на нашу галактику Млечный Путь и соседние галактики. Карты показывают общую яркость и цвет звезд (вверху), общую плотность звезд (посередине) и межзвездную пыль, заполняющую Галактику (внизу). Обратите внимание, что в среднем на каждый квадратный градус приходится примерно ~ 10 миллионов звезд, но в некоторых регионах, таких как галактическая плоскость или галактический центр, плотность звезд значительно превышает общее среднее значение. (Фото: ESA/Gaia/DPAC)

Но, пожалуй, самой впечатляющей частью нашей галактики является галактический центр, чрезвычайно богатый звездами и обладающий самой массивной черной дырой Млечного Пути. Хотя центр галактики невидим для нас в оптическом диапазоне длин волн света, поскольку нейтральная материя внутри диска нашей галактики блокирует все источники света из центральной области Млечного Пути, мы можем ясно видеть его в инфракрасном и радиоволновом диапазонах света.
Весьма впечатляюще, что миссия ESA Gaia нанесла на карту более миллиарда звезд внутри нашего Млечного пути и показала нам лучше, чем когда-либо прежде, как могло бы выглядеть путешествие к центру нашей галактики.

В ядре галактики наша сверхмассивная черная дыра удерживает множество быстро вращающихся звезд, многие из которых рискуют быть разорванными на части из-за интенсивных приливных гравитационных сил. Другие со временем будут выброшены на более высокие орбиты или даже полностью поглощены; наш галактический центр - динамичное, жестокое и часто разрушительное место.

Далее: прыжок к близлежащим галактикам

Здесь, в нашей местной группе, мы видим наш Млечный Путь и ближайшие соседние галактики такими, какими они являются в данный момент времени: через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва. До тех пор, пока мы ограничиваем себя ближайшей Вселенной — галактиками, свет которых прибывает после путешествия, охватывающего ничтожно малый промежуток времени по сравнению с возрастом Вселенной, — мы видим Вселенную либо такой, какая она есть сегодня, либо очень близкой к ней.

Хотя в настоящее время у нас нет обзора всего неба Вселенной в пределах нескольких сотен миллионов световых лет, мы нанесли на карту огромные области космоса, которые находятся очень близко, и потратили достаточно времени на наблюдение в достаточное количество телескопов поблизости, чтобы идентифицировать все основные группы и скопления галактик в наши местные окрестности.
Примечательно, что мы обнаруживаем, что наша Вселенная - это не просто набор отдельных галактик, а также групп и скоплений галактик, а скорее сложная структура, подобная паутине. Материя в нашей Вселенной позднего времени преимущественно распределена вдоль космических нитей, причем группы и скопления галактик формируются в местах соединения и пересечения этих нитей. Между тем между ними находятся обширные космические пустоты, некоторые из которых простираются более чем на 100 миллионов световых лет в поперечнике.

Между огромными скоплениями и нитями Вселенной находятся огромные космические пустоты, некоторые из которых могут достигать сотен миллионов световых лет в диаметре. Хотя некоторые пустоты больше по протяженности, чем другие, и простираются на миллиард световых лет или более, все они содержат материю на том или ином уровне. Даже пустота, в которой находится MCG + 01-02-015, самая одинокая галактика во Вселенной, вероятно, содержит маленькие галактики с низкой поверхностной яркостью, которые находятся ниже нынешнего предела обнаружения телескопов, таких как "Хаббл". (Фото: Эндрю З. Колвин и Zeryphex/Astronomy5109; Викисклад)

Первым исследованием, позволившим нанести на карту более 1 миллиарда галактик в близлежащей Вселенной — то есть Вселенной, возраст которой составляет по меньшей мере 90% от ее нынешнего возраста, — было Sloan Digital Sky Survey, которое до сих пор продолжает составлять карту нашей Вселенной.

Если бы мы захотели узнать, как выглядит Вселенная сегодня, мы могли бы нанести эти галактики на карту в трехмерном пространстве и визуализировать, каково было бы пролететь через пространство между этими галактиками с любой скоростью, которую мы захотим: даже быстрее скорости света.

После: возвращение назад во времени и пространстве

Одна из самых замечательных частей космической истории заключается в том, что Вселенная, какой она является сегодня, не такая, какой она была всегда. Наша Вселенная начиналась в совершенно ином состоянии, чем то, которое мы переживаем сегодня. Вместо того, чтобы быть:

* разреженная,
* нитевидная,
* холодная,
* с богатыми эволюционировавшими галактиками, которые группируются вместе

Ранняя Вселенная отличалась во всех отношениях. Сегодня мы наблюдаем, что Вселенная расширяется, и мы знаем, что скорость космического расширения напрямую связана с общей плотностью энергии самого пространства.

Что ж, в прежние времена Вселенная была плотнее, расширялась быстрее, менее плотной и сгруппированной (то есть более однородной), а также более горячей, поскольку фотоны внутри нее не были растянуты до тех длинных волн, которыми они обладают в настоящее время. Одним из самых замечательных видов исследований, которые нам удалось провести, являются сравнительные исследования галактик: мы рассматриваем галактики, обнаруженные во Вселенной сегодня, и сравниваем их с галактиками, обнаруженными дальше и чей свет испускался в значительно более ранние эпохи во Вселенной.

Неудивительно, что мы обнаруживаем, что галактики значительно эволюционировали, с точки зрения всего населения, за прошедшие миллиарды лет.

Галактики, сравнимые с современным Млечным Путем, многочисленны на протяжении всего космического времени, в настоящее время они увеличились в массе и имеют более развитую структуру. Молодые галактики по своей природе меньше, голубее, хаотичнее, богаче газом и имеют меньшую плотность тяжелых элементов, чем их современные аналоги, и их истории звездообразования эволюционируют с течением времени. Это не было открыто или хорошо известно всего несколько десятилетий назад, когда мы начали видеть большое количество галактик, относящихся к гораздо более раннему периоду нашей космической истории. (Фото: НАСА, ЕКА, П. ван Доккум (Йельский университет, США), С. Патель (Лейден, Великобритания) и команда 3-D-HST)

Один из лучших способов убедиться в этом самим - провести так называемое исследование удаленной Вселенной “лучом карандаша”. В этом методе то, что мы делаем, - это наблюдаем за одной-единственной крошечной областью неба, которая оказывается лишенной каких-либо относительно близлежащих звезд или галактик.

Мы наблюдаем его в течение длительного времени на различных длинах волн, включая (и, возможно, особенно) длинные инфракрасные волны света: длины волн, которые отлично подходят для обнаружения и визуализации галактик, звездный свет которых был растянут до более длинных длин волн в результате кумулятивного расширения Вселенной, произошедшего с тех пор, как их свет был поглощен. впервые испущенный.

На протяжении 1990-х, 2000-х и 2010-х годов лучшие виды далекой Вселенной таким образом были получены благодаря космическому телескопу Хаббла. Самый глубокий снимок, когда-либо сделанный до запуска JWST, был сделан с помощью телескопа Hubble eXtreme Deep Field, который наблюдал область пространства, настолько крошечную, что потребовалось бы 32 миллиона областей сопоставимого размера, чтобы покрыть все небо. В этом маленьком узком “луче карандаша” пространства было обнаружено более пяти тысяч галактик.

Они охватывают всю космическую историю, от относительно близкой Вселенной до более чем 13 миллиардов лет назад: гораздо ближе к самому Большому взрыву, чем к сегодняшнему дню.

Наконец-то: самые глубокие из когда-либо открывавшихся видов

Но у такого подхода есть несколько ограничений.

* Во-первых, мы видим не все галактики снаружи; даже на этом глубоком снимке (вверху) мы, вероятно, видим только где-то около ~ 1% всех галактик, которые там есть. Большинство из них маленькие и тусклые, в то время как самые легкие для восприятия - большие и яркие. Мы знаем, что мы значительно предвзяты в том, что нам удается обнаружить.

* Во-вторых, большинство существующих галактик, вероятно, являются галактиками-спутниками, которые вращаются вокруг больших ярких галактик, и у нас недостаточно чувствительности, чтобы наблюдать их; мы с трудом можем даже подсчитать количество галактик в нашей собственной локальной группе, поэтому маленькие галактики с низкой яркостью представляют собой наиболее обычный тип галактик в значительной степени невидим.

* В-третьих, в течение первых ~550 миллионов лет после Большого взрыва (в одних местах меньше, в других больше) Вселенная была заполнена нейтральной материей, блокирующей свет, подобной той, что находится в диске Млечного Пути. Мы можем видеть только тот свет из этих ранних эпох, который достаточно ярок, чтобы пробиться сквозь эту преграждающую свет завесу.

* И в-четвертых, самые яркие галактики из всех - это те, которые активно формируют звезды по всей территории самой галактики: галактика со вспышками звездообразования. Чем раньше мы посмотрим, тем больше вероятность того, что мы увидим галактику со вспышкой звездообразования, и тем больше вероятность того, что вспышка звездообразования была вызвана крупным слиянием двух галактик сопоставимого размера.

Более 13 миллиардов лет назад, в эпоху реионизации, Вселенная была совсем другим местом. Газ между галактиками был в значительной степени непрозрачен для энергичного света, что затрудняло наблюдение молодых галактик. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) вглядывается вглубь космоса, чтобы собрать больше информации об объектах, существовавших в эпоху реионизации, чтобы помочь нам понять этот важный переход в истории Вселенной. (Фото: НАСА, ЕКА, Дж. Кан (STScI))

Хотя все предыдущие обсерватории поддавались этим ограничениям, включая даже Хаббл, это именно тот класс наблюдений, для преодоления которого был разработан космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА (JWST). Глядя на Вселенную глазами большего размера, оптимизированными для инфракрасных длин волн и для проникновения в эту нейтральную материю, блокирующую свет, JWST обнаружил множество галактик, которые превзошли даже возможности Хаббла. Программы наблюдений, такие как JADES, CEERS, GLASS, Panoramic, Cosmos-Web и другие, показывают нам, как Вселенная росла, как никогда раньше.

И неудивительно, что до сих пор это не только научило нас некоторым невероятным наукам, побив при этом несколько космических рекордов, но и позволило нам визуализировать молодую Вселенную так, как никогда раньше. Как выразился Стив Финкельштейн, главный исследователь коллаборации CEERS,:

“Само количество галактик, которые мы обнаруживаем в ранней Вселенной, находится на пределе всех прогнозов. Мы привыкли думать о галактиках как о плавно растущих, но, возможно, эти звезды формируются подобно фейерверкам. Образуют ли эти галактики больше звезд, чем ожидалось? Являются ли звезды, которые они создают, более массивными, чем мы ожидаем? Эти данные дали нам информацию для того, чтобы задать эти вопросы. Теперь нам нужно больше данных, чтобы получить эти ответы”.

Самые далекие галактики, которые мы когда-либо открывали, - это лишь верхушка космического айсберга: самые яркие и массивные галактики, обнаруженные в этих отдаленных уголках Вселенной.

По мере того как мы продолжаем собирать все больше и больше данных, отдаленная Вселенная будет по-прежнему находиться в центре внимания, отвечая на некоторые из наших нынешних вопросов и открывая новые пути для исследований.

Полное понимание нашей Вселенной, начиная с самых ранних времен, которые только можно вообразить, и вплоть до наших дней, наконец-то ближе, чем когда-либо, к тому, чтобы быть в пределах досягаемости.