Более четкое изображение ранней Вселенной: программа MINERVA

В первые сотни миллионов лет после Большого взрыва Вселенная переживала одну из самых загадочных и фундаментальных фаз своей эволюции. В этот период, известный как «темные века», пространство было заполнено в основном нейтральным водородом и гелием, а света еще не существовало — не было ни звезд, ни галактик. Вселенная была темной, плотной и холодной. Лишь спустя несколько сотен миллионов лет начались процессы, приведшие к образованию первых звезд и галактик, положивших начало космической структуре, которую мы наблюдаем сегодня. Понимание этих ранних этапов долгое время оставалось одной из главных задач астрофизики, но теперь, благодаря новым технологиям, особенно космическому телескопу Джеймс Уэбб (JWST), ученые получили беспрецедентные возможности для изучения этого критического периода.

Одной из наиболее амбициозных инициатив в этой области стала исследовательская программа MINERVA (Medium-band Imaging with NIRCam to Explore ReVolutionary Astrophysics), которая начала использовать телескоп Уэбба с 25 июля и планирует проводить наблюдения в течение года. Проект, в котором принимает активное участие Данило Марчезини — профессор физики и астрономии и декан факультета исследований искусств и наук Университета Тафтса, — представляет собой международное сотрудничество, включающее ученых и студентов из Тафтса, а также специалистов из множества университетов и научных институтов по всему миру. Финансируется проект НАСА через Институт космических телескопов и нацелен на получение глубоких и детализированных данных о ранней Вселенной.

Ключевой особенностью MINERVA является использование среднеполосной съемки с помощью инструмента NIRCam на борту JWST, а также наблюдений с помощью MIRI — инфракрасного прибора, способного проникать сквозь космическую пыль. В отличие от предыдущих телескопов, таких как «Хаббл», которые работали в основном в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, JWST способен улавливать свет с большими длинами волн, что позволяет заглянуть в более далекие и древние регионы Вселенной. Это особенно важно для изучения объектов, находящихся на огромных расстояниях, чей свет испытывает значительное красное смещение из-за расширения Вселенной.

Красное смещение — ключевой параметр в космологии — позволяет астрономам определять, насколько далеко находится объект и как давно он существовал. Например, чтобы увидеть Вселенную, когда ей было всего один или полмиллиарда лет, необходимо наблюдать галактики с красным смещением около 10 и выше. Целью MINERVA является поиск галактик с красным смещением выше 13, что соответствует эпохе всего в 300 миллионов лет после Большого взрыва. Такие объекты могут стать кандидатами на звание первых галактик, сформировавшихся в ходе так называемой «космической зари» — периода, когда первые звезды и галактики начали ионизировать нейтральный водород, постепенно «зажигая» Вселенную.

Особое преимущество среднеполосной съемки, используемой в MINERVA, заключается в ее способности более точно определять спектральное распределение энергии галактик. Это позволяет различать объекты, которые на широкополосных изображениях могут выглядеть одинаково, но на самом деле имеют разную природу. Например, галактика, в которой звездообразование прекратилось (так называемая «спокойная галактика»), может быть ошибочно принята за активно звездообразующую, если она скрыта облаками пыли, поглощающей свет. С помощью более точных данных MINERVA ученые смогут надежно идентифицировать такие объекты и проследить, когда впервые в космической истории появились галактики, прекратившие формирование звезд. Это поможет установить временные рамки процессов «гашения» звездообразования и понять, какие физические механизмы — такие как активность сверхмассивных черных дыр, слияния галактик или истощение газовых резервуаров — ответственны за это.

Проект MINERVA сосредоточен на четырех внегалактических полях — областях за пределами Млечного Пути, ранее изученных другими телескопами, но теперь вновь наблюдаемых с беспрецедентной детализацией. Эти поля будут охвачены более чем в 10 раз большей площадью по сравнению с предыдущими детальными исследованиями, что значительно увеличивает шансы обнаружить редкие и экстремальные объекты. По словам Марчезини, именно такие редкие галактики, сформировавшиеся в самые ранние эпохи, представляют наибольший интерес, поскольку они могут дать ключ к пониманию начальных условий формирования структуры Вселенной.

Особое внимание в рамках проекта уделяется так называемым «маленьким красным точкам» (little red dots) — компактным, ярким в инфракрасном диапазоне объектам, впервые обнаруженным JWST. Их природа до сих пор неясна: ученые предполагают, что это могут быть либо сверхмассивные черные дыры на ранних стадиях формирования, либо очень плотные скопления звезд, скрытые пылью. MINERVA позволит более точно определить их характеристики, включая массу, возраст и окружение, а также проследить, как меняется их плотность в разные космические эпохи. Это, в свою очередь, поможет проверить существующие теории о том, как и когда в центрах галактик образовались сверхмассивные черные дыры — один из самых сложных вопросов современной астрофизики.

Одна из целей — сосредоточиться на периоде времени, известном как космический рассвет — ранняя фаза развития Вселенной после Большого взрыва.

Собранные данные позволят не только идентифицировать отдельные объекты, но и построить целостную картину эволюции галактик. Ученые смогут определить, как менялись масса звезд, темпы звездообразования и химический состав галактик на протяжении миллиардов лет. Эти наблюдения станут основой для теоретических моделей, позволяющих воссоздать физические процессы, управлявшие развитием Вселенной. Благодаря синергии между наблюдениями и моделированием, MINERVA откроет путь к более глубокому пониманию того, как из простой, однородной среды после Большого взрыва возникла сложная иерархическая структура галактик, скоплений и сверхскоплений, которую мы видим сегодня.

Данило Марчезини с уверенностью заявляет, что программа MINERVA принесет революционные научные результаты. Благодаря уникальным возможностям телескопа JWST и продуманной методологии проекта, астрономы впервые получат полный, многомерный набор данных о далекой Вселенной, охватывающий широкий диапазон длин волн и красных смещений. Это позволит не просто увидеть первые галактики, но и понять, как они формировались, как взаимодействовали с окружающей средой, когда и почему прекращали рождать звезды, и как связаны с центральными черными дырами. MINERVA — это не просто еще один цикл наблюдений, а шаг к переписыванию главы космической истории, посвященной Вселенной в ее самом юном возрасте.