Самый мощный космический телескоп заглянет в темные века Вселенной

Некоторые называют космический телескоп НАСА "Джеймс Вебб" "телескопом, который съел астрономию". Это самый мощный космический телескоп из когда-либо построенных и сложная часть механического оригами, которая раздвинула границы человеческой инженерии. 25 декабря 2021 года, после многих лет задержек и миллиардов долларов перерасхода средств, телескоп запущен в космос, чтобы открыть новую эру астрономии.

Есть астрономы со специализацией в наблюдательной космологии - они изучают далекие галактики уже много лет. Некоторые из самых больших вопросов о Вселенной, на которые нет ответов, относятся к ее раннему периоду сразу после Большого взрыва. Когда образовались первые звезды и галактики? Что появилось первым и почему? Я невероятно рад, что астрономы скоро смогут узнать историю возникновения галактик, ведь "Джеймс Уэбб" был создан специально для того, чтобы ответить именно на эти вопросы.

"Темные века" Вселенной
Превосходные данные свидетельствуют о том, что Вселенная началась с события под названием Большой взрыв 13,8 миллиарда лет назад, в результате которого она оказалась в сверхгорячем, сверхплотном состоянии. После Большого взрыва Вселенная сразу же начала расширяться, охлаждаясь по мере этого. Через секунду после Большого взрыва Вселенная имела размеры в сто триллионов миль в поперечнике, а ее средняя температура составляла невероятные 18 миллиардов F (10 миллиардов C). Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва Вселенная была уже 10 миллионов световых лет в поперечнике, а ее температура остыла до 5500 F (3000 C). Если бы в этот момент кто-то мог наблюдать за ней, Вселенная светилась бы тусклым красным светом, как гигантская тепловая лампа.

В течение всего этого времени пространство было заполнено густым супом из частиц высокой энергии, излучения, водорода и гелия. Не было никакой структуры. По мере того как расширяющаяся Вселенная становилась все больше и холоднее, суп истончался, и все вокруг становилось черным. Это было началом того, что астрономы называют темными веками Вселенной.

Суп Темных веков не был идеально однородным, и под действием гравитации крошечные участки газа начали слипаться и становиться более плотными. Гладкая Вселенная стала бугристой, и эти небольшие сгустки более плотного газа стали семенами для последующего формирования звезд, галактик и всего остального во Вселенной.

Хотя смотреть было не на что, Темные века были важным этапом в эволюции Вселенной.

В поисках первого света
Темные века закончились, когда под действием гравитации образовались первые звезды и галактики, которые со временем начали излучать первый свет. Хотя астрономы не знают, когда появился первый свет, лучше всего предположить, что это произошло через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Астрономы также не знают, что образовалось первым - звезды или галактики.

Современные теории, основанные на том, как гравитация формирует структуру во Вселенной, в которой доминирует темная материя, предполагают, что сначала образовались небольшие объекты, такие как звезды и звездные скопления, которые затем выросли в карликовые галактики, а затем в более крупные галактики, такие как Млечный Путь. Эти первые звезды во Вселенной были экстремальными объектами по сравнению с сегодняшними звездами. Они были в миллионы раз ярче, но жили очень недолго. Они горели жарко и ярко, а когда умирали, то оставляли после себя черные дыры, масса которых в сотни раз превышала массу Солнца, что могло послужить семенами для формирования галактик.

Астрономы хотели бы изучить эту увлекательную и важную эпоху Вселенной, но обнаружить первый свет невероятно сложно. По сравнению с массивными, яркими галактиками сегодняшнего дня, первые объекты были очень маленькими, и из-за постоянного расширения Вселенной они сейчас находятся на расстоянии десятков миллиардов световых лет от Земли. Кроме того, самые ранние звезды были окружены газом, оставшимся после их образования, и этот газ действовал как туман, поглощающий большую часть света. Потребовалось несколько сотен миллионов лет, чтобы радиация уничтожила этот туман. Этот ранний свет очень слабый к тому времени, когда он достигает Земли.

Но это не единственная проблема.

По мере расширения Вселенной длина волны света, проходящего через нее, постоянно увеличивается. Это называется красным смещением, поскольку оно смещает свет с более коротких длин волн - например, синий или белый свет - в сторону более длинных волн, например, красного или инфракрасного света. Хотя это и не совсем точная аналогия, но это похоже на то, как если мимо вас проезжает машина, то высота звука, который она издает, заметно снижается.

К тому времени, когда свет, испущенный ранней звездой или галактикой 13 миллиардов лет назад, достигает любого телескопа на Земле, он растягивается в 10 раз в результате расширения Вселенной. Он приходит в виде инфракрасного света, то есть его длина волны больше, чем у красного света. Чтобы увидеть первый свет, нужно искать инфракрасный свет.

Телескоп как машина времени
Космический телескоп Джеймса Уэбба.

Телескопы - как машина времени. Если объект находится на расстоянии 10 000 световых лет, значит, свету потребуется 10 000 лет, чтобы достичь Земли. Поэтому чем дальше в космос заглядывают астрономы, тем дальше в прошлое мы глядим.

Инженеры оптимизировали "Джеймс Уэбб" специально для обнаружения слабого инфракрасного света самых ранних звезд или галактик. По сравнению с космическим телескопом "Хаббл", "Джеймс Уэбб" имеет в 15 раз большее поле зрения камеры, собирает в шесть раз больше света, а его датчики настроены таким образом, чтобы быть наиболее чувствительными к инфракрасному свету.

Стратегия будет заключаться в том, чтобы в течение длительного времени пристально смотреть на один участок неба, собирая как можно больше света и информации от самых далеких и старых галактик. Благодаря этим данным, возможно, удастся ответить, когда и как закончились Темные века, но предстоит сделать еще много важных открытий. Например, разгадка этой истории может также помочь объяснить природу темной материи - загадочной формы материи, составляющей около 80% массы Вселенной.