13,4 миллиарда лет назад

Галактика уже ярко сияет

Через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была электрически нейтральной и уже достаточно холодной для того, чтобы электроны, носители отрицательного электрического заряда, надолго связались с атомными ядрами (в основном в форме водорода и гелия), появившимися в более ранние эпохи и заряженными изначально положительно. Но ситуация вновь перевернулась примерно миллиард лет спустя. Вселенная снова пережила ионизацию, влияние которой проявляется даже в наши дни. Под воздействием разрушительных ультрафиолетовых излучений атомы водорода потеряли все свои электроны, и все ядра вновь стали ионами.

Когда же примерно произошла «реионизация» водорода? Какие источники смогли испустить столь мощные ультрафиолетовые лучи, которым было под силу разорвать на части все атомы водорода во Вселенной? Астрофизики, чтобы найти первые звезды, осветившие темные века ультрафиолетовым излучением, попробовали исследовать самые далекие светила. Для оценки расстояния они использовали данные, связанные с расширением Вселенной, растяжение ткани самого пространства, которое тем более увеличивает длину волны излучения, чем дальше от нас его источник. Это увеличение длин волн называется «красным смещением» (по-английски – redshift) – в видимом спектре самые длинные волны – красные.

В 2016 году международная группа астрофизиков, возглавляемая американцем Паскалем Ойшем, опубликовала результаты наблюдений далекой галактики GN-z11, проведенных в инфракрасном диапазоне Космическим телескопом Хаббла. Эти наблюдения основывались на данных, полученных ранее на самых длинных волнах инфракрасного спектра космическим телескопом Спицера. Именно этот телескоп и обнаружил галактику GN-z11, по размерам в двадцать пять, а по суммарной массе звезд в сто раз меньшую Млечного Пути. Зато эта галактика-эмбрион производит в двадцать раз больше звезд в единицу времени, чем наша. Красное смещение z, которое измерили Ойш и его коллеги, оказалось равным 11,09 – в 2016 году это была самая далекая от нас галактика из всех известных. А тот факт, что она ярко светилась уже через четыреста миллионов лет после Большого взрыва, позволяет сделать вывод, что первые галактики Вселенной, вроде GN-z11, стали основными действующими лицами процесса реионизации.

13,2 миллиарда лет назад

Катастрофическая смерть первой звезды

Не успели астрофизики разделить звезды Млечного Пути на поколение I и поколение II в зависимости от их возраста, как им пришлось ввести в классификацию и поколение III – первых звезд Вселенной. Обнаружить их не удалось, поэтому ученые пришли к выводу, что их жизнь была слишком короткой по сравнению со звездами, которые пришли им на смену. Звезды поколения III должны были быть и более массивными: в среде, лишенной элементов, более тяжелых, чем гелий, существующие модели звездообразования допускают только образование звезд массой в несколько сотен солнечных – слишком массивных для того, чтобы дожить до наших дней.

Непосредственно наблюдать звезды поколения III уже нельзя, однако можно обнаружить те колоссальные всплески гамма-излучения, которые некоторые из них испустили в конце своей довольно короткой жизни. Модель эволюции сверхмассивной звезды предполагает, что через несколько миллионов лет после образования ее ядро может схлопнуться в черную дыру. Окруженная остатками разрушенной звезды, дыра испускает в противоположных направлениях два потока материи, разогнанных до околосветовых скоростей. Истечение этих струй сопровождается самыми мощными всплесками энергии во Вселенной. Во-первых, струи распространяются с огромной скоростью и возникающие в них чудовищные ударные волны порождают мощное гамма-излучение. Во-вторых, в этом процессе формируется и остаточное излучение на всех длинах волн. Однако это излучение быстро ослабевает при взаимодействии с межзвездной средой.

Всплески гамма-излучения бывают настолько яркими, что астрофизики могут обнаружить их на очень больших расстояниях, вплоть до границ наблюдаемой Вселенной. Два телескопа космической обсерватории Neil Gehrels Swift, один из которых работал в диапазоне гамма-излучения, а второй – в рентгеновском диапазоне, засекли 23 апреля 2009 года гамма-всплеск в области галактики GRB 090423 и определили достаточно точные координаты его источника. На основе этих данных международная группа астрофизиков, возглавляемая британцем Найджелом Танвиром, с помощью VLT (англ. Very Large Telescope – Очень Большой Телескоп) определила спектральные характеристики остаточного излучения. Их исследование позволило Танвиру и его коллегам оценить красное смещение GRB 090423. Его величина оказалась огромной (z = 8,2) – это был самый отдаленный всплеск энергии, когда-либо наблюдавшийся учеными. Массивная звезда, ставшая причиной этого всплеска, закончила свое существование на исходе темных веков, в конце периода реионизации.

☛

СМ. ТАКЖЕ