Первое поколение звезд появилось через 250-350 миллионов лет после Большого взрыва

Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Университетского колледжа Лондона (UCL) и Кембриджского университета, звезды сформировались впервые через 250–350 миллионов лет после возникновения Вселенной.

Исследование предполагает, что космический телескоп НАСА Джеймс Уэбб (JWST), запуск которого запланирован на ноябрь, будет достаточно чувствительным, чтобы напрямую наблюдать за рождением галактик.

Исследовательская группа изучила шесть самых далеких галактик, известных в настоящее время, свет которых шел к нам на протяжении большей части жизни Вселенной. Они обнаружили, что расстояние этих галактик от Земли соответствует времени более 13 миллиардов лет назад, когда Вселенной было всего 550 миллионов лет.

Анализируя изображения с космических телескопов Хаббла и Спитцера, исследователи подсчитали, что возраст этих галактик составляет от 200 до 300 миллионов лет, что позволяет оценить, когда впервые образовались их звезды.

Ведущий автор доктор Николас Ляпорт, который начал проект в Калифорнийском университете, сказал: «Теоретики предполагают, что Вселенная была темным местом в течение первых нескольких сотен миллионов лет, до образования первых звезд и галактик. Засвидетельствовать момент, когда Вселенная впервые засияла звездным светом, — это главный квест в астрономии».

«Наши наблюдения показывают, что космический рассвет произошел между 250 и 350 миллионами лет после возникновения Вселенной, и во время своего образования галактики, подобные тем, которые мы изучали, были достаточно яркими, чтобы их можно было увидеть с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба».

Исследователи проанализировали звездный свет от галактик, зарегистрированный космическими телескопами Хаббла и Спитцера, изучив маркер в их распределении энергии, указывающий на присутствие атомарного водорода в звездных атмосферах. Это дает оценку возраста содержащихся в них звезд.

Водородная сигнатура усиливается с возрастом звездного населения, но уменьшается, когда возраст галактики превышает миллиард лет. Зависимость от возраста возникает из-за того, что более массивные звезды, которые вносят вклад в этот сигнал, быстрее сжигают свое ядерное топливо и поэтому умирают первыми.

Анализируя данные Хаббла и Спитцера, исследователям нужно было оценить «красное смещение» каждой галактики, которое указывает на их космологическое расстояние и, следовательно, время ретроспективного обзора, на котором они наблюдаются. Для этого они провели спектроскопические измерения, используя полный арсенал мощных наземных телескопов — чилийскую Большую миллиметровую решетку Атакама (ALMA), Европейский очень большой телескоп,  телескопы Кека на Гавайях и телескоп Gemini-South.

Эти измерения позволили ученым подтвердить, что наблюдение за этими галактиками соответствовало тому, чтобы оглянуться назад в то время, когда Вселенной было 550 миллионов лет.

Соавтор работы, профессор Ричард Эллис (UCL Physics & Astronomy), сказал: «За последнее десятилетие астрономы отодвинули границы того, что мы можем наблюдать, до того времени, когда возраст Вселенной  составлял всего 4% от ее нынешнего возраста.Однако из-за ограниченной прозрачности атмосферы Земли и возможностей космических телескопов Хаббла и Спитцера мы достигли своего предела».

Это видео показывает формирование и эволюцию первых звезд и галактик в виртуальной вселенной, подобной нашей. Моделирование начинается незадолго до космического рассвета, когда Вселенная лишена звездного света, и длится до эпохи через 550 миллионов лет после Большого взрыва. Возраст Вселенной в миллионах лет показан в верхнем левом углу.

На вставке изображена эволюция галактики, подобная той, что была в недавнем наблюдательном исследовании. Фиолетовые области показывают нитевидное распределение газа, состоящего в основном из водорода. Белые области представляют звездный свет, а желтые области изображают энергичное излучение самых массивных звезд, которое способно ионизировать окружающий водородный газ.

По мере того как массивные звезды быстро достигают конца своей жизни, они вспыхивают мощными взрывами сверхновых, которые вытесняют окружающий газ, позволяя уйти этому энергичному излучению. Галактики, подобные показанной, постоянно собирают материал из близлежащих более мелких систем и быстро собираются, образуя более крупные галактики, которые позже наблюдались космическим телескопом Хаббл.

«Теперь мы с нетерпением ожидаем запуска космического телескопа Джеймса Уэбба, который, как мы полагаем, способен непосредственно засвидетельствовать космический рассвет».

«Стремление увидеть этот важный момент в истории Вселенной было святым Граалем в астрономии на протяжении десятилетий. Поскольку мы созданы из материала, обработанного в звездах, это в некотором смысле поиск нашего собственного происхождения».

В новом исследовании участвовали астрономы Калифорнийского университета в Санта-Круз, Калифорнийского университета и Техасского университета.

Космический телескоп Джеймс Уэбб, преемник обсерватории Хаббла, планируется запустить в космос в ноябре 2021 года. В течение следующего десятилетия это будет ведущая обсерватория, обслуживающая тысячи астрономов по всему миру.

Он состоит из инфракрасной обсерватории, огромного зеркала шириной 6,5 метра и солнцезащитного козырька в форме ромба. Ученые UCL из лаборатории космических исследований Малларда построили и протестировали ключевые аппаратные компоненты для NIRSpec (спектрографа ближнего инфракрасного диапазона), одного из четырех инструментов телескопа.

Исследование было опубликовано в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.