Когда же всё-таки образовались первые галактики?
В последние десятилетия у астрономов сложилось устойчивое представление об эволюции ранней Вселенной и появлении первых звёзд и галактик. Через 370 000 лет после Большого взрыва температура расширяющегося универсума упала до такой степени, что протоны и электроны смогли начать образование нейтральных атомов. Так возник ещё неионизированный газ, поглощавший излучение, — эпоха, которую принято называть «тёмными веками».
Вначале такой газ был почти идеально равномерно распределён в пространстве. Но затем гравитация усиливала неравномерности в его распределении, и всего через несколько сот миллионов лет газ приступил к формированию первых звёзд, из которых появятся и первые галактики:
Излучение первого поколения светил ионизировало остальной газ Вселенной, доведя её примерно до той стадии, в которой мы сейчас живём. Так закончились «тёмные века».
На самом деле, понять, что происходит после начала образования звёзд и до окончания «тёмных веков», довольно трудно. Их формирование запустило цепочку очень сложных для моделирования процессов: разогрев и остывание облаков газа, взрывы сверхновых, поглощение материи первыми чёрными дырами, мощнейшие звёздные ветры. Слишком много факторов стало влиять на картину, чтобы её можно было назвать до конца ясной.
Лучше понять происходившее помогали наблюдения. И в 2009 году астрономам казалось, что такие наблюдения уже начались. При помощи снимков, сделанных «Хабблом», были найдены сначала пара десятков, а затем и более тысячи очень ранних галактик, многие из которых относились к первому миллиарду лет после Большого взрыва. Очевидно, они должны были содержать молодые звёзды голубого цвета, и, кажется, именно их отыскали учёные, анализировавшие те снимки. Но несколькими годами позже группа под руководством Ричарда Эллиса (Richard Ellis) из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США) предприняла ещё одни наблюдения части таких галактик, воспользовавшись дополнительным цветовым фильтром, с общим временем экспозиции, равным 23 суткам.
. И убедилась, что фактически звёзды этих галактик были краснее, чем показали исследования по снимкам 2009 года. Много краснее! Галактики, появившиеся через 560–780 млн после Большого взрыва, оказались состоящими из звёзд возрастом в 100–200 млн лет. Когда в начале 2013 года эти данные стали доступны астрономической общественности, посыпались недоумённые вопросы. Дело в том, что одновременно была опубликована информация, свидетельствовавшая: реионизация началась лишь через 250 млн лет после Большого взрыва, а закончилась (для водорода) через 1 млрд лет. До реионизации звёздный свет не мог свободно распространяться по Вселенной. Но накопленные данные по самым древним галактикам той поры просто не давали к этому оснований!
По всем расчётам, видимого их количества не должно было хватить для проведения реорганизации: слишком мало излучения они давали. Очевидно, заключили Ричард Эллис и его коллеги, есть ещё много галактик, кои мы по тем или иным причинам пока не видим. «Теперь мы знаем, что существует целая популяция малых галактик, относящаяся к ещё более ранним временам, чем те, что доступны «Хабблу», — уверен астроном. Отсюда следует, что они должны были появиться ранее 560 млн лет после Большого взрыва, что очень странно: когда же газ успел сформироваться в первые протозвёздные облака?
Есть и другие вопросы. Первые звёзды, согласно сегодняшними теориям, имели в своём распоряжении едва ли не один только водород и лишь немного гелия, то есть их масса должна была в сотню раз превышать солнечную, иначе термоядерные реакции без более тяжёлых веществ, служащих «катализаторами», просто не начались бы.
Время жизни таких гигантов не должно было превышать 2 млн лет, после чего они неминуемо исчезали во взрывах сверхновых. Но вот беда: получается, что такие взрывы именно в ту эпоху происходили с прямо-таки бешеной частотой, что сказывалось бы на облаках межзвёздного газа, образовывавших новые светила. А ведь им и так в бог весть какие сжатые сроки нужно было образовать галактики — быстрее, чем за полмиллиарда лет после Начала Всего. Очевидно, одна часть этой картины прямо противоречит другой: звёзды первого поколения никак не могли позволить быстрого формирования новых светил и галактик.
Как отмечает теоретик Фолькер Бромм (Volker Bromm) из Техасского университета в Остине (США), если галактики, существовавшие через полмиллиарда лет и уже наблюдавшиеся «Хабблом», имеют звёзды, которым от ста миллионов лет и больше, то очевидно, что между смертью первого поколения звёзд и формированием второго должно пройти или чрезвычайно малое время, или. нулевое время. Более того, полагает он, эти два поколения частично могли даже одновременно существовать.
Итак, история Вселенной, похоже, отпустила ей слишком мало времени на образование первых звёзд и галактик. Так что целостное видение эволюции ранней Вселенной, существовавшее до наблюдений «Хаббла», впервые поставлено под сомнение.
Правда, к концу этого года радиоинтерферометр ALMA, работающий в миллиметровом диапазоне (в который благодаря красному смещению попадает ИК-излучение газовых облаков ранней Вселенной), введёт в строй достаточно своих элементов, чтобы увидеть следы галактик, существовавших всего через 425 млн лет после Большого взрыва. И если это так, наше понимание природы первых звёзд и галактик ожидают существенные сдвиги.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.
Источник
5 удивительных фактов о первых галактиках во Вселенной
Хотя мы их никогда не видели, вот что мы о них знаем…
Один из самых замечательных фактов о нашей Вселенной заключается в том, что она была не всегда. Сгустки и скопления материи, которые мы видим — планеты, звезды, газовые облака, галактики и многое другое — выросли из небольших частиц материи, которые притягивались друг к другу и слились с течением времени.
Когда мы смотрим на космические объекты на очень больших расстояниях, то нужно понимать, что свет от них, чтобы достичь наших глаз, двигался очень большое время, а это означает, что свет дальних звезд и галактик, который мы видим сегодня, испускался миллионы или даже миллиарды лет назад. Когда мы смотрим в космос, мы смотрим назад во времени. В какой-то момент мы достигнем такого огромного расстояния, когда не было ни звезд, ни галактик. Хотя для просмотра этих самых первых галактик потребуется космический телескоп «Джеймс Вебб» ( James Webb), есть пять удивительных фактов об этих самых отдаленных объектах, которые мы уже знаем.
1. У первых звезд и галактик не было твердых планет
Всякий раз, когда формируются звезды из молекулярного облака газа, можно полностью ожидать, что газ будет фрагментироваться в целую кучу сгустков, которые растут с разной скоростью, в зависимости от того, насколько они велики, и что еще находится в их окрестностях. Большие газовые облака превратятся в звёзды и планеты самых разных размеров, но даже самые маленькие миры в первую очередь будут состоять исключительно из газа: водорода и гелия. Без предшествующих поколений звезд не появятся тяжелые элементы для образования твердых тел, таких как твердые планеты или их спутники. Небольшие шарообразные скопления газа могут образоваться, но когда появятся первые звезды, они просто будут сожжены в межзвездном пространстве ионизирующим излучением тех первых ядерных пожаров во Вселенной.
2. Самые ранние галактики крошечные по сравнению с теми, которые есть сейчас
Когда формируются первые нейтральные атомы во Вселенной, они так или иначе сгущаются в плотные или разреженные области определенного размера. Содержащие от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов солнечных масс, они образуют зародыши первых звездных скоплений. В течение, возможно, 50–200 миллионов лет гравитация заставляет эти первые газовые облака разрушаться и формировать первые звезды. Когда звездные скопления начинают под действием гравитации сливаться вместе, возникает быстрое звездообразование, и именно в этот момент, можно сказать, что сформировались первые галактики Вселенной. Даже несмотря на то, что они могли составлять лишь крошечную долю массы Млечного пути, возможно, только 0,001% от этой массы, на самом деле это были галактики, имеющие собственные звезды, звездные скопления, планеты, газ, пыль и даже ореолы темной материи.
3. Даже если телескоп «Хаббл» будет вечно смотреть вглубь Вселенной, он никогда не увидит самых первых галактик
Свет, излучаемый этими галактиками, должен быть похож на свет, излучаемый вновь звездообразующими галактиками. Когда образуется галактика, она сначала должна быть наполнена горячими, яркими, недолговечными синими звездами, которые доминируют в светимости среди всех остальных. Но в отличие от близлежащих, свет от этих самых ранних галактик совершает огромное космическое путешествие, которое продолжается более 13 миллиардов лет, чтобы достичь наших глаз. За это время Вселенная расширяется, в результате чего длина волны этого первоначально ультрафиолетового света краснеет, смещаясь через видимый диапазон света и ближнюю инфракрасную область к середине инфракрасной части спектра.
Даже если телескоп «Хаббл», который может просматривать Вселенную довольно далеко в ближнем инфракрасном свете, никогда не будет в состоянии обнаружить галактики в красных смещениях от 15 до 25, в которых они должны располагаться. Для этого нам нужен телескоп «Джеймс Уэбб».
4. Самые массивные звезды во Вселенной существовали только в эти самые ранние времена
Сегодня, если мы посмотрим глубоко в звездное пространство, то можем увидеть самые яркие, самые блестящие и самые массивные звезды. Самая большая в нашей местной группе галактики Млечного Пути — туманность Тарантула (см. на фото выше) содержит много сотен тысяч солнечных масс, а также самую известную звезду: R136a1.
Она в 260 раз больше массы нашего Солнца, это самая массивная звезда, когда-либо обнаруженная. Но она, также как и наше Солнце, содержит вещества, находящиеся в верхней части периодической таблицы элементов, которые подавляют первоначальный рост массивных звезд.
У первых же звезд, поскольку они были сделаны из первозданного водорода и гелия, не было этого подавления и они могли расти до еще больших масс. Насколько они были велики? В 500 раз больше, чем Солнце? 1000 раз? 2000 раз? Если повезет, телескоп «Джеймс Вебб» даст нам ответ.
5. Первые сверхмассивные черные дыры должны были появиться внутри первых галактик почти с момента их рождения
Как это ни парадоксально, чем большую массу имеет звезда, тем короче ее продолжительность жизни. Самые массивные звезды живут всего лишь несколько миллионов лет до того, как либо становятся сверхновыми, либо сразу разрушаются; в конечном итоге они превращаются в массивные черные дыры.
Эти черные дыры быстро мигрируют к центру галактики, где они сливаются вместе и срастаются, становясь основой сверхмассивных черных дыр, которые мы видим сегодня.
Самые ранние галактики, даже когда они впервые становятся видимыми, могут содержать черные дыры в сотни тысяч или даже миллионы раз массивнее, чем наше Солнце, сравнимые с четырьмя миллионами солнечных масс, присутствующими в центре Млечного Пути. Эти объекты должны быть там, и «Джеймс Вебб» просто может показать нам, насколько они массивны на самом деле.
Заметим, что эти самые отдаленные, самые молодые и самые крошечные галактики не существуют очень долго.
В какой-то момент давным-давно каждая близлежащая галактика, которую мы видим сегодня, не очень отличалась от этих самых первых, которые мы обнаружим чем через год, когда телескоп «Джеймс Уэбб» будет запущен и развернут.
Первые галактики, которые сформировлись гравитационно, выросли больше, поскольку им уже 13,8 млрд лет, и они будут привлекать все больше и больше материи, и сами они, вероятно, будут гигантскими спиралями или эллиптическими элементами в своих собственных группах и кластерах, как и наша галактика — Млечный Путь.
Но в настоящее время у нас нет способа узнать, какое было прошлое в деталях у нашего родного Млечного Пути. В конце концов, великое преступление Вселенной состоит в том, что мы можем видеть её только сегодня, в один конкретный момент времени.
Источник
Жизненный цикл галактик
Не всё в этой Вселенной вечно. Человеческая жизнь очень коротка по сравнению с жизнью звезды или планетарной системы, но рядом с жизнью галактики она точно покажется вам всего лишь мгновением. Подобно живым организмам, они рождаются, находятся на стадии своего процветания, а затем гибнут. Галактики «живут» так долго, что всё же трудно назвать этот огромный отрезок времени «жизнью», и учёные заменили его на более подходящий термин – эволюция.
Астрономы, с древних времён всматриваясь в небо, пытались понять природу Млечного Пути – что это может быть? Впоследствии люди поняли, что наше Солнце – это одна из миллиардов звёзд в нашей галактике. С развитием науки и техники теперь мы знаем, что и сам Млечный Путь – это одна из более чем сотен миллиардов галактик.
Гипотез о возникновении Вселенной существует множество, но всё же принято считать, что вся материя была создана в ней примерно 13, 8 млрд лет назад во время Большого Взрыва: вещество, сжатое в бесконечно плотную точку, вырвалось наружу – так и родилась наша Вселенная.
Благодаря теории Относительности и открытию скорости света учёные поняли, что если наблюдатель смотрит сквозь пространство, он смотрит назад во времени: например, если любоваться галактикой Андромеды, которая находится от нас на расстоянии около 2,5 млн световых лет, то мы видим её именно такой, какая она была 2, 5 миллиона лет назад. Этот эффект машины времени и позволил астрономам изучить эволюцию («жизнь») галактик.
Образование галактик рассматривается как естественный этап эволюции Вселенной. Итак, после её расширения и последующего охлаждения всё вещество было распределено почти однородно. Затем частицы пыли и газа начали группироваться, объединяться, сталкиваться и таким образом появлялись сгустки, которые позднее превращались в галактики. Все галактики, как и люди, разные, можно найти похожие, но мы никогда не увидим их точные копии. Галактики имеют разные виды: спиральные, эллиптические, галактики с перемычкой, линзовидные и неправильные. Такой «набор» форм связан с разнообразием начальных условий образования галактик. Скопление газообразного водорода в пределах таких сгустков стало первыми звездами.
В момент своего рождения галактика начинает сжиматься. Сжатие длится примерно 3 млрд лет. За это время газовое облако превращается в звездную систему. Звезды образуются путем гравитационного сжатия облаков газа. Когда в центре сжатого облака достигаются плотности и температуры, достаточные для эффективного протекания термоядерных реакций, рождается звезда. Процесс рождения звезд идет при продолжающемся сжатии галактики, поэтому формирование звезд происходит ближе к центру всей этой гравитационно-связанной системы, и, чем ближе к её центру, тем больше должно быть в звездах тяжелых элементов, поэтому, если мы заглянем в центр галактики, то увидим, что он будто «кишит» звёздами.
Сжатие всего вещества протогалактики не может длиться вечно: когда кинетическая энергия образовавшихся звезд диска равна энергии коллективного гравитационного взаимодействия, сжатие прекращается и начинают формироваться спиральные структуры галактики – её рукава. Сжатого газа теперь очень много – таким образом, в галактике созданы все условия и для дальнейшего формирования новых звёзд.
Но запасы газа не вечны, и они тоже с течением времени будут истощаться, в связи с чем рождение новых звёзд пойдёт на спад. Через миллиарды лет (сколько пройдёт точно – сказать очень сложно), когда будут исчерпаны все запасы газа, спиральная галактика превратится в линзообразную, состоящую из слабых красных звезд. Эллиптические галактики уже находятся на этой стадии: весь газ в них израсходован около 9 млрд. лет назад. Формироваться галактики начали после Большого Взрыва, соответственно, они являются примерными ровесниками всей Вселенной, если вести отсчёт именно с момента их формирования. Угасание звёзд в галактике и отсутствие процесса зарождения в ней новых из-за того, что запасы пыли и газа были потрачены, — это медленная «старость» галактик.
Часто галактики сталкиваются с другими и, таким образом, продлевают себе жизнь, обмениваясь друг с другом внутренним веществом. В процессе слияния начинаются новые процессы звездообразования. Иногда кажется, что галактики – это самые настоящие хищники: так, Млечный Путь поглотил несколько небольших галактик, увеличив, тем самым, свою массу.
Считается, что наш Млечный Путь уже истратил большую часть своего «звёздного топлива» и уже не такой активный, как во времена своей молодости. Но через 4 млрд лет Млечный Путь столкнётся со своей соседкой Андромедой, и так эти две огромные галактики, объединившись в одну, «оттянут» время своей смерти, которая выглядит как постепенное остывание и угасание.
Но есть и другая версия завершения галактической эволюции: однажды все галактики местных групп объединятся в одного эллиптического гиганта. Конечно, это продлит им жизнь, но всё равно даже такая огромная галактика будет обречена на гибель в вечной темноте: запасы газа будут исчерпаны и в этом гиганте, и звёзды, больше не удерживаемые силой гравитации, будут постепенно отдаляться, а затем всё пространство достигнет окружающей температуры.
Источник