Какой была Вселенная в первые несколько сотен миллионов лет после своего возникновения?Теперь у астрономов больше шансов найти ответы

Программа MINERVA, одним из руководителей которой является астроном из Университета Тафтса, позволит исследователям получить ещё более полное представление о ранней Вселенной с помощью инструментов телескопа «Уэбб», которые работают в другом спектре, чем обычно.

Благодаря этой возможности исследователи надеются найти редкие и необычные галактики, которые помогут им понять процесс формирования галактик, заглянуть сквозь пыль, чтобы узнать, создают ли некоторые из самых старых галактик новые звёзды, и больше узнать о том, как формируются сверхмассивные чёрные дыры.

MINERVA— что расшифровывается как среднечастотная съемка с помощью NIRCam для изучения революционной астрофизики, начала использоваться телескопом Уэбба 25 июля; наблюдения планируется проводить в течение года.

Данило Маркезини, профессор физики и астрономии, декан факультета искусств и наук в Университете Тафтса, является одним из руководителей проекта MINERVA, в котором участвуют преподаватели и студенты Университета Тафтса, а также исследователи из многих университетов и институтов по всему миру.

Другие высокочувствительные телескопы, в том числе космический телескоп «Хаббл», проводили аналогичные исследования, но не смогли получить изображения очень далёкой Вселенной в высоком разрешении в первые миллиарды лет космической истории.

В рамках проекта MINERVA астрономы будут получать изображения в среднем диапазоне с помощью прибора NIRCam на борту JWST, а также с помощью другого прибора JWST под названием MIRI, который позволит проводить более точные наблюдения за областями, которые уже были исследованы, особенно за объектами, скрытыми за пылью.

«Идея состоит в том, чтобы получить максимально полный набор данных для внегалактической астрономии в разных диапазонах волн», — говорит Маркезини. Они нацелены на четыре основных внегалактических поля, то есть на те, что находятся за пределами нашей галактики Млечный Путь, и ожидают получить гораздо более подробную информацию.

Благодаря новым данным, которые они соберут, «мы получим очень точное представление о свойствах этих галактик и их звёздных популяциях — о звёздной массе галактики, о том, сколько звёзд в ней формируется каждый год, и об истории её звездообразования», — говорит он.

Наблюдение за редкими объектами

С помощью широкополосной визуализации учёные смогли просканировать большие участки космоса, но пожертвовали точностью: они не всегда могли определить, откуда исходит излучение — от полностью сформировавшихся звёзд, от интенсивного звездообразования или от сверхмассивных чёрных дыр.

Но при изображении в среднечастотном диапазоне "мы получаем гораздо более точную выборку спектрального распределения энергии, в несколько раз лучшую, чем при широкополосном", - говорит Маркезини. Это означает, что например, они могут отличить галактику, которая находится в состоянии покоя — больше не образует звезд — от галактики, которая активно формирует много звезд, но из-за затемнения пылью она выглядит как галактика в состоянии покоя только при широкополосном изображении.

Четыре внегалактические цели, на которых сосредоточено внимание MINERVA, «увеличивают примерно в 10 раз» площадь внегалактических полей, для которых у астрономов будет полная и подробная выборка.

"Этот регион важен, потому что мы также ищем редкие объекты," — говорит Маркезини. "Чтобы найти очень интересные, редкие объекты, нужно взять пробу из большего объёма Вселенной, особенно если вы отправляетесь в те галактики, где либо сформировались первые галактики, либо находятся эти очень интересные «спящие» галактики, возникшие в первый миллиард лет космической истории."

Одна из целей — сосредоточиться на периоде, известном как «космический рассвет», — ранней фазе развития Вселенной после Большого взрыва. В первые несколько сотен миллионов лет Вселенная состояла исключительно из нейтрального водорода и гелия. Эта эпоха называется тёмными веками.

«Это было до появления первых звёзд и галактик», — говорит Маркезини. «Затем появились первые звёзды, галактики и чёрные дыры».

Сдвиг во времени

В астрономии расстояние до объектов в космосе отражает, как давно они сформировались, потому что чем дальше объект, тем дальше в прошлое мы его видим. Это расстояние измеряется в красном смещении — по сути, это изменение спектра света, излучаемого объектом, по мере его удаления от нас. Чем дальше объект, тем больше его красное смещение.

Чтобы наблюдать за Вселенной, когда она была на 5 миллиардов лет моложе — когда ей было около 7,7 миллиарда лет, — «нам нужно наблюдать за галактиками с красным смещением, равным 1, но если мы хотим наблюдать за галактиками, когда Вселенной было 1 или 0,5 миллиарда лет, нам нужно наблюдать за галактиками с красным смещением, равным 6 или 10», — говорит Маркезини.

"Одна из целей телескопа «Уэбб» — найти первые звёзды, первые галактики, — говорит он. "С помощью MINERVA мы хотим найти множество разных объектов, в том числе очень надёжные кандидаты в галактики, существовавшие в первые 300 миллионов лет, или с красным смещением выше 13."

С помощью изображений в среднем диапазоне астрономы могут отличить объекты с красным смещением 13 от, скажем, гораздо более поздних галактик с красным смещением 5, скрытых за пылью. (Свет, скрытый за пылью, слабее, из-за чего кажется, что объект находится дальше, чем на самом деле.) Благодаря этой информации исследователи могут «попытаться собрать воедино кусочки головоломки о том, как развивались галактики, особенно на этом пыльном этапе», — говорит он.

Исследователей также очень интересуют первые «спящие» галактики — галактики, которые перестали формировать звёзды и остаются «спящими» до конца своего существования. «MINERVA позволит нам выявить очень надёжную выборку «спящих» галактик на всём пути от красного смещения 3, где, как мы знаем, существуют «спящие» галактики, до красного смещения 8. Мы действительно пытаемся выяснить, когда во Вселенной появились первые «спящие» галактики», — говорит Маркезини.

Они также смогут отслеживать частоту и плотность «спящих» галактик в космическом масштабе времени. «Как только мы получим эти данные, мы сможем с помощью симуляций и моделей понять все интересные физические механизмы, которые отвечают за их рост, затухание и обеспечивают синергетический подход к наблюдениям и теории», — говорит Маркезини.

Ещё одна цель MINERVA — лучше изучить класс объектов, обнаруженных ранее телескопом «Джеймс Уэбб», которые называют «маленькими красными точками». Астрономы считают, что это сверхмассивные чёрные дыры, но не знают, есть ли вокруг них газ и звёзды.

«MINERVA, безусловно, позволит нам гораздо точнее идентифицировать маленькие красные точки, — говорит Маркезини, — и определить эволюцию количества и плотности маленьких красных точек, а также центральных сверхмассивных чёрных дыр, которые, как мы думаем, их порождают. Это действительно важно для понимания того, как, например, сверхмассивные чёрные дыры росли во Вселенной и как они связаны с галактикой, в которой находятся».

В настоящее время существует множество теоретических моделей развития сверхмассивных чёрных дыр. Маркезини говорит, что маленькие красные точки «могут стать ключом к пониманию или различению этих разных сценариев и моделей».

Маркезини говорит, что он в восторге от того, что этим летом стартует программа MINERVA. «Она определённо принесёт революционные научные результаты», — говорит он.

Источник: Университет Тафтса

На изображении:

«Одна из целей телескопа «Джеймс Уэбб» — найти первые звёзды, первые галактики, — говорит Данило Маркезини. — С помощью MINERVA мы хотим найти множество разных объектов, в том числе очень надёжные кандидаты в галактики, существовавшие в первые 300 миллионов лет».

Фото: Данило Маркезини/MINERVA