Космічний світанок (Cosmic dawn), тобто етап розвитку Всесвіту, коли утворилися перші зорі, стався  у проміжок від 250 до 350 мільйонів років після Великого Вибуху. На це вказують результати новго дослідження, виконаного науковцями з Лондонського університетського коледжу (University College London, UCL) та Кембриджського університету.

У статті, оприлюдненій в журналі «Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства» (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), висловлено припущення, що космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST), який планують запустити в листопаді поточного року, буде досить чутливим для прямих спостережень за формуванням перших галактик.

Британська група науковців дослідила шість найвіддаленіших галактик, відомих нині. Світлу цих зоряних систем знадобилася більша частина тривалості життя Всесвіту, щоб дійти до нас. Дослідники виявили, що відстань цих галактик від Землі відповідає часу понад 13 мільярдів років тому, коли Всесвіту було лише 550 мільйонів років.

На підставі аналізу знімків, отриманих за допомогою космічних телескопів «Габбл» і «Спітцер», дослідники встановили, що вік цих галактик становить від 200 до 300 мільйонів років. Це дало змогу оцінити, коли в них утворилися перші зорі.

Головний автор дослідження доктор Ніколас Лапорт (Nicolas Laporte) з Кембриджського університету (він розпочав проект, перебуваючи в UCL), сказав: «Теоретики припускають, що Всесвіт був темним місцем протягом перших кількох сотень мільйонів років, перш ніж сформувалися зорі й галактики. Встановити часові межі, коли Всесвіт вперше був осяяний зоряним світлом, є головним завданням в астрономії».

Відео показує формування та еволюцію перших зір та галактик у віртуальному Всесвіті, подібному до нашого. Моделювання починається перед початком космічного світанку, коли Всесвіт позбавлений зоряного світла, і триває до епохи 550 мільйонів років після Великого Вибуху. Саме на цьому етапі розвитку Всесвіту науковці спостерігали і вивчили шість галактик. Вік Всесвіту в мільйонах років показаний у верхньому лівому куті. Вставка показує еволюцію галактики, подібної до тієї, яку спостерігали дослідники. Фіолетові ділянки відображають ниткоподібний розподіл газу, що складається переважно з водню. Білі — показують зоряне світло, а жовті — високоенергетичне випромінювання наймасивніших зір, здатне іонізувати навколишній водень. Коли масивні зорі швидко досягають кінця свого життя, вони вибухають як наднові. Це приводить до виштовхування навколишнього газу, що уможливлює поширенню такого випромінювання. Такі галактики, як показана в цьому моделюванні, постійно накопичують речовину із сусідніх менших зоряних систем і швидко зростають. Так виникають великі галактики, які спостерігав Космічний телескоп імені Габбла в більш пізні епохи розвитку Всесвіту. Відео з сайту https://media.eurekalert.org.

Дослідники проаналізували зоряне світло від галактик і на підставі розподілу енергії встановили, що в атмосфера зір є атомарний водень. Це дає змогу оцінити вік цих зір. Такий маркер збільшується в міру старіння зоряного населення, але зменшується, коли галактика не старша за мільярд років. Вікова залежність виникає через те, що більш масивні зорі, які роблять суттєвий внесок в цей маркер, швидше спалюють своє ядерне паливо і, отже, гинуть першими.

Співавтор дослідження доктор Ромен Мейєр (Romain Meyer) з UCL Physics & Astronomy та Інституту астрономії Макса Планка в Гейдельберзі (Німеччина) сказав: «Цей віковий показник використовують в астрономії для датування зір в Молочному Шляху, але його також можна використати для визначення віку дуже віддалених галактик, тобто тих, які ми спостерігаємо в ранньому Всесвіті. На підставі цього маркера ми зробили висновок, що вік наших галактик становить від 200 до 300 мільйонів років».

Щоб з’ясувати космологічну відстань до кожної галактики, яка відповідає часу розвитку Всесвіту, коли ці системи існували, дослідникам треба було оцінити червоне зміщення кожної з них. Для цього вони виконали спектроскопічні вимірювання за допомогою потужних наземних телескопів — Великої міліметрової антени Атакама (Atacama Large Millimetre Array, ALMA), Дуже великого телескопа, телескопів імені Кека на Гаваях та телескопа «Джеміні-Південь» (Gemini-South).

Кольорове зображення скупчення галактик, яке науковці з Університетського коледжу Лондона та Кембриджського університету використали для виявлення однієї з шести галактик, MACS0416-JD, у процесі виконання дослідження. Вік цієї галактики становить 351 мільйонів років. Це означає, що вона утворилася через 178 мільйонів років після Великого Вибуху. Зоряна маса цієї галактики в один мільярд перевищує масу Сонця. Нині цей об’єкт є найвіддаленішою галактикою, яку спостерігали за допомогою ALMA. Фото з сайту https://phys.org.

Співавтор дослідження професор Річард Елліс (Richard Ellis) з UCL, який протягом своєї кар’єри спостерігав все більш віддалені галактики, сказав: «За останнє десятиліття астрономи відсунули межі того, що ми можемо спостерігати, до часу, коли вік Всесвіту становив лише 4% від теперішнього. Ми досягли цієї межі попри обмежену прозорість атмосфери Землі та завдяки можливостям космічних телескопів “Габбл” і “Спітцер”».

«Ми з нетерпінням чекаємо запуску космічного телескопа Джеймса Вебба, який, на нашу думку, має можливість прямо спостерігати космічний світанок. Прагнення побачити цей важливий момент в історії Всесвіту протягом десятиліть було святим Граалем в астрономії. Оскільки наші тіла складаються з речовини, створеної в зорях, це у певному сенсі є пошуком власного походження».

У новому дослідженні брали участь астрономи Каліфорнійського університету в Санта-Крус, Каліфорнійського і Техаського університетів.

Згідно з планами, космічний телескоп Джеймса Вебба, наступник обсерваторії «Габбл», буде запущений у космос в листопаді 2021 р. Протягом наступного десятиліття цей інфрачервоний телескоп з діаметром дзеркала 6,5 метрів буде головною обсерваторією, яка обслуговуватиме тисячі астрономів у всьому світі. Науковці UCL з космічної наукової лабораторії Малларда (Mullard Space Science Laboratory) створили та протестували основні апаратні компоненти для спектрографа NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), одного з чотирьох приладів телескопа.

За інф. з сайту https://phys.org