Телескоп ALMA нашел во Вселенной кислород возрастом 13,3 миллиарда лет

Астрономы обнаружили галактику, в которой кислород появился спустя всего 500 миллионов лет после Большого взрыва, сообщается в журнале Nature. Это самое раннее по шкале возраста Вселенной обнаружение кислорода. Кроме того, открытая учеными галактика стала и самой далекой галактикой с надежно определенным расстоянием. Модели показывают, что первые звезды в ней начали формироваться более 13,5 миллиардов лет назад.

После Большого взрыва во Вселенной происходили сложные процессы — сначала рождались кварки, адроны и другие субатомные частицы, а вслед за ними появлялись первые атомы, которые вошли в состав первичного звездного вещества. Когда произошла рекомбинация водорода и Вселенная начала охлаждаться, она погрузилась в «темные века». Тогда еще не зажглись первые звезды и не родились квазары — активные ядра галактик со сверхмассивной черной дырой внутри. Эта эпоха завершилась «космическим рассветом» — возникновением древних галактик, которые мы регистрируем сегодня. Их поиск важен для того, чтобы определить, как происходила эволюция Вселенной и основных химических элементов.

Международная группа астрономов под руководством Такуя Хашимото (Takuya Hashimoto) из Университета Саньо в Осаке наблюдала на телескопе ALMA удаленную галактику MACS1149-JD1 и обнаружила очень слабое свечение ионизованного кислорода. Вследствие расширения Вселенной длина волны изначально инфракрасного излучения за время его путешествия в пространстве увеличилась более, чем в десять раз. Красное смещение источника (z = 9,1) указало, что зарегистрированный учеными сигнал был испущен 13,3 миллиарда лет назад, или спустя всего 500 миллионов лет после Большого Взрыва. Это наибольшее расстояние, на котором когда-либо регистрировался кислород, и его присутствие показывает, что в этой галактике должны существовать и более ранние поколения звезд.

Вдобавок к излучению кислорода, зарегистрированному на ALMA, исследователи заметили и более слабое излучение водорода с помощью телескопа VLT. Расстояние до галактики, определенное по этим наблюдениям, согласуется с тем, которое было получено по линии кислорода. Таким образом, MACS1149-JD1 оказывается самой далекой галактикой с надежно определенным расстоянием, и самой далекой галактикой, когда-либо наблюдавшейся на ALMA или VLT.

«Мы видим эту галактику в эпоху, когда Вселенной было всего 500 миллионов лет — и оказывается, что в это время она уже была населена зрелыми звездами», — объясняет Николя Лапорт (Nicolas Laporte), второй автор статьи. «Поэтому мы можем использовать эту галактику для зондирования более раннего, полностью неизвестного периода космической истории».

В течение некоторого времени после Большого Взрыва во Вселенной не было кислорода: он появился в результате процессов синтеза в недрах первых звезд, и потом, когда происходили вспышки сверхновых, рассеивался в пространстве. Регистрация кислорода в MACS1149-JD1 показывает, что всего через 500 миллионов лет после начала Вселенной эти ранние поколения звезд уже сформировались и успели произвести достаточно много кислорода. Чтобы выяснить, когда первые светила начали зарождаться, исследователи реконструировали раннюю историю MACS1149-JD1 по инфракрасным данным, полученным телескопами «Хаббл» и «Спитцер». Оказалось, что наблюдаемую яркость галактики хорошо объясняет модель, где начало звездообразования относится к эпохе спустя всего 250 миллионов лет после Большого взрыва. При этом сегодня считается, что «темные века» наступили через 377 тысяч лет после рождения Вселенной — то есть следует предполагать, что MACS1149-JD1 начала формироваться еще в это время.

Таким образом, MACS1149-JD1 заставляет ученых задаться вопросом о том, когда возникли первые галактики. Возраст открытого ими объекта указывает на то, что они существовали задолго до той эпохи, на которой мы способны сейчас их регистрировать.

В прошлом самый далекий кислород был обнаружен в галактике, которая родилась спустя 700 миллионов лет после Большого взрыва. Его количество, согласно оценкам исследователей, оказалось примерно в десять раз меньше наблюдаемого количества кислорода в Солнце.

Кристина Уласович

В изначальной версии заметки говорилось, что «темные века» наступили через 377 миллионов лет после рождения Вселенной. Это неверно — они наступили через 377 тысяч лет. Редакция приносит свои извинения.