Принципна схема на историята на Вселената, подчертаваща реионизация, която се случва сериозно едва след формирането на първите звезди и галактики. Преди да се образуват звезди или галактики, Вселената беше пълна със светло блокиращи, неутрални атоми. Макар че по-голямата част от Вселената не се реализира отново до 550 милиона години след това, няколко щастливи региона са предимно реионизирани по-рано. Кредитна снимка: SG Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center.

5 изненадващи факти за първите галактики във Вселената

Въпреки че никога не сме ги виждали, ето какво вече знаем.

„Изведнъж се отварят цели нови програми, неща, които можете да правите, които никога не бихте могли да направите преди. Би било чудесно научно, би било чудесно за нацията, за преподавателите, за студентите и би било просто чудесно за широката публика. " -Гарт Илингуърт

Един от най-забележителните факти за нашата Вселена е, че тя не е съществувала завинаги. Струпванията и струпванията на материя, която виждаме - планети, звезди, газови облаци, галактики и др. - израснаха от по-малки парченца материя, които гравитационно са се разраствали и слевали с течение на времето. Ако погледнем към обекти на по-големи и по-големи разстояния, светлината от тях отнема повече време, за да достигне до очите ни, което означава, че пристигащата днес светлина е излъчена преди милиони или дори милиарди години. Като погледнем назад в пространството, ние също се оглеждаме назад във времето. В един момент ще достигнем толкова голямо разстояние, че тогава нямаше звезди или галактики. Въпреки че ще е необходим космическият телескоп на Джеймс Уеб, за да видите тези първи галактики, има пет изненадващи факта, за които вече знаем, че трябва да са верни за тези най-далечни обекти от всички.

Протопланетарните дискове, с които се смята, че се образуват всички слънчеви системи, с времето ще се слеят в планетите, както показва тази илюстрация. Когато обаче Вселената се състои само от водород и хелий, могат да се образуват само газообразни планети, а не скалисти. Кредит за изображение: NAOJ.

1.) Няма скални планети сред първите звезди и галактики. Всеки път, когато образувате звезди от молекулен газов облак, можете напълно да очаквате този газ да се фрагментира в цяла плетеница, които нарастват с различна скорост в зависимост от това колко големи са те да започнат и какво още е в тяхната околност. Големите газови облаци ще растат звезди и планети с много различни размери, но дори и най-малките светове, които първо се образуват, ще бъдат направени изключително от газ: водород и хелий. Без предишни поколения звезди няма по-тежки елементи, които да формират твърди тела като скалисти планети или луни. Възможно е да се образуват малки топчета газ, но когато тези звезди се запалят, те просто ще бъдат изгорени в междузвездното пространство от йонизиращото лъчение на първите първи ядрени пожари във Вселената.

Галактиките, сравними с днешния Млечен път, са многобройни, но по-младите галактики, които са подобни на Млечния път, по своята същност са по-малки, по-сини и по-богати на газ като цяло от галактиките, които виждаме днес. За първите галактики от всички това е доведено до крайност. Кредит за изображение: НАСА и ESA.

2.) Най-ранните галактики са мънички в сравнение с тези, които имаме днес. Когато първите неутрални атоми във Вселената се образуват, те вече са слепнали заедно, все така леко, в области с наднормена плътност и сгъстяване с определен размер. Съдържащи някъде от няколкостотин хиляди до няколко милиона слънчеви маси, те ще образуват семената на първите звездни клъстери. За може би от 50 до 200 милиона години гравитацията кара тези първи газови облаци да се сриват и образуват първите звезди. Когато звездни клъстери започват гравитационно да се сливат заедно, бързото образуване на звезди настъпва и в този момент можем да започнем да казваме, че сме създали първите галактики на Вселената. Въпреки че те могат да бъдат само малка част от масата на Млечния път, може би 0,001% толкова масивна, колкото и ние, това всъщност са галактики сами по себе си, съдържащи звезди, звездни струпвания, планети, газ, прах и дори ореоли от тъмна материя.

Дълбокото поле на Хъбъл eXtreme - най-дълбоката ни представа за Вселената до момента, която разкрива галактики от времето, когато Вселената е била едва 3–4% от сегашната си възраст. Това обаче е абсолютната граница на това колко далеч може да стигне Хъбъл; повече наблюдение на времето ще разкрие по-бледи галактики, но не и по-далечни. Кредит за изображение: НАСА; ESA; G. Illingworth, D. Magee и P. Oesch, Калифорнийския университет, Санта Крус; Р. Bouwens, университет в Лайден; и екипа на HUDF09.

3.) Дори и Хъбъл да погледне към далечната Вселена завинаги, той никога няма да види тези първи галактики. Светлината, която тези галактики излъчват, трябва да бъде подобна на светлината, излъчвана от новообразуващите се днес звезди. Когато една галактика за първи път се образува, тя трябва да е пълна с горещи, ярки, краткотрайни сини звезди, които доминират светимостта на всички останали. Но за разлика от близките галактики, светлината от тези най-ранни от тях изисква огромно космическо пътешествие - едно, което отнема над 13 милиарда години от нашата перспектива, за да достигне до очите ни. През това време Вселената се разширява, причинявайки дължината на вълната на тази първоначално ултравиолетова светлина да се измести червено през видимото, през близкото инфрачервено и в средната инфрачервена част на спектъра. Дори ако Хъбъл, който може да гледа светлина доста далеч в близката инфрачервена връзка, гледа завинаги небето, той никога няма да може да открие галактики до червено изместване от 15 до 25, където се очаква да лежат първите. За това ни е нужен Джеймс Уеб.

Клъстерът RMC 136 (R136) в мъглявината Тарантула в Големия Магеланов облак е дом на най-масовите известни звезди. R136a1, най-големият от всички тях, е над 250 пъти по-голям от масата на Слънцето. Кредитно изображение: Европейска южна обсерватория / P. Crowther / CJ Evans.

4.) Най-масивните звезди във Вселената са съществували само в тези най-ранни времена. Днес, ако погледнем дълбоко в ултрамасивен звездообразуващ регион, очакваме да намерим най-ярките, светещи и най-масивните звезди от всички. Най-голямата в нашата местна група, мъглявината Тарантула (по-горе) в спътникова галактика на Млечния път, съдържа много стотици хиляди материал на слънчевата маса, заедно с най-масивната известна звезда: R136a1. С около 260 пъти по-голяма маса от нашето Слънце, това е най-масивната звезда, откривана някога. Но също така е зареден с елементи, издигащи се високо в периодичната таблица, подобно на нашето собствено Слънце, което потиска първоначалния растеж на масивните звезди. Тъй като са направени само от девствен водород и хелий, първите звезди липсваха това потискане и бяха в състояние да нараснат до още по-големи маси. Колко големи са те? 500 пъти по-масивна от Слънцето? 1000 пъти? 2000 пъти? С малко късмет Джеймс Уеб ще ни научи на отговора.

Поглъщането на светлината от милиметровата дължина на вълната, излъчвана от електрони, свистещи около мощни магнитни полета, генерирани от свръхмасивната черна дупка на галактиката, водят до тъмното петно ​​в центъра на тази галактика. Сянката показва, че върху черната дупка вали студени облаци от молекулен газ. Такива свръхмасивни черни дупки или поне семената от тях трябва да бъдат открити в първите първи галактики на Вселената. Кредит за изображение: NASA / ESA & Hubble (син), ALMA (червен).

5.) Първите свръхмасивни черни дупки трябва да съществуват вътре в тези първи галактики почти от момента на тяхното раждане. Парадоксално е, че колкото по-масивна е звездата, толкова по-кратък ще бъде нейният живот. Най-масовите звезди от всички живеят само няколко милиона години, преди да преминат или свръхнова, или директно да рухнат; и в двата случая те произвеждат масивни черни дупки. Тези черни дупки бързо мигрират до центъра на галактиките, където се сливат заедно и акремират материя, превръщайки се в семената на свръхмасивните черни дупки, които виждаме днес. Тези най-ранни галактики, дори когато станат видими, могат да съдържат черни дупки, много стотици хиляди или дори милиони пъти по-масивни от нашето Слънце, сравними с четири милиона слънчева маса, присъстващи в центъра на Млечния път. Тези обекти трябва да са там и Джеймс Уеб може да ни покаже колко масивни са те наистина.

Мащабната структура на Вселената се променя с течение на времето, тъй като малките несъвършенства растат, образувайки първите звезди и галактики, след което се сливат заедно, за да образуват големите, съвременни галактики, които виждаме днес. Гледането на големи разстояния разкрива по-млада Вселена, подобна на това как беше местният ни регион в миналото. Кредит за изображение: Крис Блейк и Сам Моуърфийлд.

Тези ултрадалечни, ултра млади и свръхмалки галактики не остават така дълго, обърнете внимание. По някое време отдавна всяка близка галактика, която виждаме днес, не беше толкова различна от тези най-първите, които ще открием, започвайки след малко повече от година, когато Джеймс Уеб изстрелва и използва. Първите, които се образуват, гравитационно са се разраснали най-бързо и така по времето, когато са на 13,8 милиарда години, те ще привличат все повече и повече материя и самите те вероятно ще бъдат гигантски спирали или елиптични в своите групи и групи, много такива каквито сме. Но в момента няма как да знаем как изглеждаше миналото на Млечния път във всякакъв вид подробности. В крайна сметка, голямото престъпление на Вселената е, че можем да го видим само днес, в един конкретен момент във времето. Въпреки цялата космическа история на случилото се, когато става въпрос за това къде сме сега, единствените неща, които знаем, са оцелелите.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги, „Отвъд галактиката“ и „Трекология: Науката за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.