Первые несколько сотен миллионов лет Вселенная, по мнению астрономов, представляла собой гигантское облако непрозрачного водорода, не пропускающего ультрафиолетовое излучение первых звезд свободно путешествовать в пространстве. Именно поэтому ученым очень сложно наблюдать за светом объектов, которые существовали в эпоху реионизации.

Тем не менее несколько таких объектов астрономам известно. А недавно вообще обнаружен самый старый из известных. Проводя наблюдение за самыми древними галактиками, ученые обнаружили MACS1423-z7p64. Исследователи сообщают, что эта галактика является самой маленькой, самой тусклой и самой древней из когда-либо обнаруженных. Она появилась всего спустя 700 миллионов лет после Большого взрыва и по размерам гораздо меньше и тусклее остальных из известных.

Увидеть свет настолько тусклого и далекого объекта удалось благодаря эффекту гравитационного линзирования: перед MACS1423-z7p64 находится скопление из 155 галактик, которое искривляет путь огибающего его света. Это привело к тому, что видимая яркость MACS1423-z7p64 возросла примерно на порядок, чего оказалось достаточно для обнаружения ее космическим телескопом «Хаббл».

Самые далекие галактики во Вселенной – самые первые, которые образовались после Большого взрыва – обычно слишком далеки для обнаружения современными приборами, если только они не необычайно яркие по сравнению с большинством своих собратьев. Но счастливое стечение обстоятельств позволило группе ученых изучить сверхдалекую галактику, которая является исключительно неисключительной.

Известная как MACS1423-z7p64, свет от этой недавно обнаруженной галактики путешествовал 13,1 миллиарда лет, прежде чем, наконец, достиг Земли. Это означает, что эта галактика образовалась менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва (который произошел около 13,78 миллиарда лет назад ), как часть самого первого поколения галактик, образовавшихся во Вселенной.

Астрономы смогли обнаружить этот чрезвычайно далекий объект только потому, что его свет был усилен естественным явлением, называемым гравитационным линзированием, при котором свет от удаленного объекта усиливается очень массивным объектом, который находится ближе к наблюдателю.

MACS1423-z7p64 – сверхслабая галактика с красным смещением 7,6 , что относит ее к прошлому примерно на 13,1 миллиарда лет. (Чем дальше находится объект, тем дальше его свет смещается в красную часть спектра из-за расширения Вселенной).

Так что же в этом такого особенного? Эти сверхдалекие галактики, наблюдаемые вблизи начала зарождения Вселенной, интересны для ученых, поскольку они попадают в «эпоху реионизации» – период примерно через миллиард лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала прозрачной.

После Большого взрыва вселенная представляла собой облако холодного атомарного водорода, которое блокирует свет. Первые звезды и галактики сконденсировались из облака и начали испускать свет и ионизирующее излучение. Это излучение растопило атомарный водород, как горячее солнце рассеивает туман, и первые галактики распространили свой свет по вселенной.

Чтобы найти такие слабые, далекие объекты, как MACS1423-z7p64, астрономы воспользовались гигантской линзой в небе. Когда свет проходит мимо массивного объекта, такого как скопление галактик, его путь изгибается под действием гравитации, так же как свет изгибается, проходя через линзу. Когда объект достаточно большой, он может действовать как линза, которая увеличивает изображение объектов позади него.

Ученые исследуют небо вокруг массивных скоплений галактик, которые имеют нужный размер и расстояние, чтобы фокусировать свет от очень далеких галактик. Хотя она похожа на миллионы других галактик своего времени, MACS1423-z7p64 просто случайно попала в «золотую середину» за гигантским скоплением галактик, которое увеличило ее яркость в десять раз и сделало ее видимой для команды с помощью космического телескопа Хаббл. Затем они смогли подтвердить ее расстояние, проанализировав ее спектр с помощью телескопов обсерватории Кека на Гавайях.

Международная группа ученых получила спектр одной из самых тусклых и далеких галактик эпохи реионизации, отличительной чертой которой является «типичность».

Согласно показаниям астрономического спутника «Планк» Европейского космического агентства (ESA), возраст Вселенной составляет порядка 13,8 миллиарда лет. В протонную эпоху (между тремя минутами и 380 тысячами лет после Большого взрыва) происходили процессы, которые охватывали Вселенную целиком, – их реконструкция важна для понимания эволюции галактик.

В начале эпохи реионизации (между 550 миллионами 800 миллионами лет) Вселенная была заполнена гелием и водородом, которые препятствовали перемещению ультрафиолетового излучения от первичных звезд. В это время водород проходил реионизацию: поглощение атомами квантов излучения удаляло электроны с их орбитали. Наблюдение объектов эпохи реионизации затрудняет поглощение водорода облаками. Однако несколько подобных объектов известны – это исключительно яркие и, тем не менее, нерепрезентативные галактики.

Зафиксировать свет галактики удалось благодаря эффекту гравитационной линзы: между наблюдателями и MACS1423-z7p64 расположено скопление галактик, искривляющее путь огибающего мишень света. В результате видимая яркость объекта возросла почти на порядок, что сделало возможным обнаружение с помощью автоматической обсерватории «Хаббл». В ходе последующих наблюдений и проверки ученые использовали спектрометр MOSFIRE обсерватории имени Кека.

Оценить расстояние до галактики позволило значение красного смещения в оптическом спектре, в частности локализация первой линии серии Лаймана. У водорода, сохраняющего стабильное состояние, такая линия лежит в ультрафиолетовом диапазоне – 121,56 нанометра. Согласно данным MOSFIRE, у водорода в MACS1423-z7p64 первая линия из-за доплеровского смещения была сдвинута до 1050,4 нанометра, поскольку галактика быстро удаляется от Земли.

В рамках современной космологической модели ΛCDM скорость объекта, или красное смещение спектральных линий, можно конвертировать в наблюдаемый возраст от момента Большого взрыва. Для MACS1423-z7p64 этот показатель равен 700 миллионам лет. По словам ученых, полученный спектр свидетельствует о том, что в галактике происходит активное звездообразование. Среди звезд, расположенных в ней, находится группа объектов возрастом примерно 24 миллиона лет.

В течение миллиарда лет после Большого взрыва свет самых ранних звезд и галактик ионизировал атомы водорода. В результате этого процесса вместо непрозрачного нейтрального водорода образовалась заряженная плазма, что положило конец космическим «темным векам» и создало прозрачную Вселенную, которую мы знаем сегодня.

Тусклые галактики, которые являются наиболее распространенными во Вселенной, считаются ответственными за эту важную «космическую реионизацию». Однако до сих пор астрономам удалось обнаружить лишь несколько ярких галактик на таком расстоянии. Чем дальше в прошлое вы смотрите на далекие объекты, тем сложнее найти меньшие, но более распространенные галактики.

Недавно обнаруженная галактика, известная как MACS1423-z7p64, примерно в 10 раз тусклее других галактик, обнаруженных на том же расстоянии.

По оценкам, в галактике насчитывается около 500 миллионов звезд. Чтобы представить это в контексте, наша собственная галактика, Млечный Путь, насчитывает около 100 миллиардов звезд. Таким образом, мы говорим о галактике, которая примерно в 200 раз менее массивна, чем Млечный Путь.

Это открытие раздвинуло границы возможностей современных телескопов. В самых маленьких галактиках может быть всего один миллион звезд, поэтому по мере совершенствования наших телескопических технологий еще есть возможность открытия еще менее ярких далеких галактик.