Новая камера Хаббла нашла самые далекие галактики

Первые снимки обновленного Космического телескопа имени Хаббла, полученные в ходе орбитальной "приемки" его новых инструментов, астрономы американского и европейского космических агентств представили публике еще 9 сентября.

По такому случаю на церемонию пригласили даже американского сенатора Барбару Микульскую, которая отчиталась о результатах майского, последнего в жизни космического ветерана, ремонта.

Фотографии действительно великолепные. Тут тебе и шаровое звездное скопление, и сливающиеся галактики, и огромная космическая линза, в которую теория относительности превратила скопление галактик Abell 370. Но нашлись и те, кто справедливо требовал каких-то научных результатов - в конце концов, несколько миллиардов долларов были потрачены не для того, чтобы снимать даже очень красивые картинки.

Как теперь выясняется, для этих скептиков уже во время пресс-конференции в карманах астрономов скручивалась большущая фига. Пока PR-специалисты NASA наводили лоск на снимки звездного неба, астрономы заканчивали обработку серьезных научных данных. Ее результат - открытие самых далеких галактик во Вселенной. Глазами "Хаббла" астрономы увидели эпоху стремительного развития космических структур. Нашему миру тогда было чуть больше полумиллиарда лет от роду.

Год за полторы недели

26 августа телескоп имени Хаббла обернулся к хорошо знакомому ему участку звездного неба в неприметном уголке южного созвездия Печь. Следующие 10 суток телескоп неотрывно глядел сюда, направляя все собранные его зеркалом крупинки света в инфракрасный канал Широкоугольной камеры WFC3 (Wide Field Camera 3). За это время ученые сменили в камере три фильтра, пропускающие свет все более длинных волн инфракрасного диапазона.

В 2004 году Улучшенная камера для обзоров ACS (Advanced Camera for Surveys) телескопа здесь же получила самое глубокое изображение неба в истории - так называемый ультраглубокий снимок "Хаббла", HUDF (Hubble Ultra-Deep Field). В небольшом поле зрения, которое по площади в 100 с лишним раз меньше полной Луны, нашлось всего несколько звездочек - зато около 10 тысяч галактик самых разных типов. Самые далекие из них испустили регистрируемый нами свет почти 13 миллиардов лет назад, когда Вселенной было лишь 800 миллионов лет.

Пять лет назад снимки камеры ACS ученые дополнили данными инфракрасной камеры NICMOS в надежде найти еще более далекие объекты. Однако надеждам этим не было суждено материализоваться - помешало несовершенство камеры, изготовленной еще в конце 1980-х годов. Инфракрасный канал свеженькой WFC3, который и был призван заменить NICMOS, обладает вдвое лучшим разрешением, имеет в 2-4 раза (в зависимости от длины волны) более высокую чувствительность, а его поле зрения - в 6 раз выше, чем у старой инфракрасной камеры.

В итоге "производительность" камеры возрастает почти в 40 раз, и на этот раз за 10 суток ученые получили результаты, на которые прежде потребовался бы год непрерывных наблюдений; а столько наблюдательного времени даже на самую интересную научную программу ученым бы никто не дал.

Рекордсмены выпали

6 сентября наблюдения закончились, а уже через несколько дней все собранные телескопом данные оказались доступны всем, кто умеет обращаться с "сырыми", совсем не похожими на красивые картинки данными "Хаббла". Их обработкой занялись сразу несколько групп. Первой свои результаты представила команда, которая заказывала наблюдения - Ричард Баувенс, работающий ныне в Ликской обсерватории Калифорнийского университета, и его коллеги из США, Швейцарии и родных Баувенсу Нидерландов. Две статьи этой группы готовятся к публикации в Astrophysical Journal, а ознакомиться с ними можно в Архиве электронных препринтов Корнельского университета (arXiv:0909.1803 и arXiv:0909.1806).

В поисках самых далеких галактик астрономы применили давно проверенную методику цветовых "выпадений". Суть ее в следующем. Если поглядеть на спектр любой галактики, он будет выглядеть более или менее плавной кривой, местами изрезанной спектральными линиями. Однако в ультрафиолетовой области, при длине волны меньшей, чем 121,6 нм, спектр резко обрывается. За этой границей резко возрастает поглощение света водородом, участвующим в космологическом расширении Вселенной. Водорода в космосе много, поэтому почти каждый луч с большей энергией рано или поздно встретится с атомом и будет поглощен, а до нас доходят лишь крупицы такого ультрафиолета.

При этом спектр далеких галактик, который мы принимаем на Земле, сдвинут в красную область - за миллиарды лет путешествия по Вселенной длина волны каждого фотона увеличилась во столько же раз, как и вся наша расширяющаяся Вселенная. Чем дальше объект, тем дольше шел свет, и тем больше сдвиг. Поэтому и спектр у близких галактик обрывается в ультрафиолете, у далеких - в оптическом диапазоне, а у самых-самых дальних переезжает в инфракрасную область спектра. По положению этого обрыва легко оценить расстояние: например, если галактика видна с красным фильтром (длины волн 600-700 нм), но не видна с более коротковолновым зеленым (около 500 нм), то расстояние до нее - примерно 11,5 миллиардов световых лет (z~3). Астрономы в таком случае говорят, что галактика "выпала" в зеленом цвете.

Именно так открыты большинство самых далеких галактик. Их красное смещение составляет чуть меньше 7, а возраст Вселенной на момент излучения ими света равнялся примерно 800 миллионам лет. Однако дальше коса находит на камень - обрыв переходит в инфракрасную область, в которой очень ярко светится даже ночное небо. Поэтому даже самые крупные наземные телескопы с самыми современными приемниками излучения за эту границу проникнуть не могут - слабые объекты здесь сливаются с фоном неба. У космического же телескопа была старовата (а потому малоэффективна) камера, поэтому рекорд красного смещения в районе z=7 держался полтора десятка лет.

Теперь рекорд побит. На снимках, сделанных WFC3 в августе-сентябре, есть несколько десятков закорючек, которые исчезают при переходе между фильтрами, соответствующем z=7,5, и около десятка кандидатов, проявившихся лишь в самом длинноволновом из использовавшихся фильтров. Их красное смещение оценивается в z=8-9, а возраст Вселенной на момент рождения пойманных "Хабблом" квантов - около 600 миллионов лет, 4,5% от нынешнего. Эти галактики уже существовали, когда произошел самый далекий из известных на сегодня науке космический взрыв (за исключением, конечно, Большого) - гамма-всплеск GRB090423.

Стремительный рассвет

Почему же астрономы с таким остервенением отодвигают границу наблюдаемой Вселенной и воспринимают подвижки на 200, 100 и даже 50 миллионов световых лет как огромную победу? И это притом, что "стенка" сейчас расположена в 13 миллиардах световых лет от Земли. Много ли корысти в том, чтобы сдвинуть ее с 12,9 до 13,0 млрд световых лет или с 13 до 13,05 млрд?

На самом деле, много. Во-первых, если считать с другого конца, с момента начала расширения Вселенной, то прогресс выглядит все-таки чуть более внушительным - скажем, 600 млн. лет от Большого взрыва против 800 миллионов. Но даже 600 против 650 - это очень важно, потому как то была совершенно удивительная эпоха в жизни нашего Мира. Размеры Вселенной на z=9 в 10 раз меньше нынешних, а средняя плотность вещества в ней, соответственно, больше в 1000 раз. Однако это вещество прозябало в полной темноте - первые галактики только-только разгорались. Именно они положили конец продолжавшейся полмиллиарда лет тьме и стали началом знакомого нам мира, пронизанного светом со всех концов небесной сферы.

Как показывает работа группы Баувенса, этот космический рассвет был невероятно стремительным. Несмотря на то, что средняя плотность вещества была больше в тысячу раз, заполненные звездами галактики среди него поначалу встречались в десятки раз реже, чем ныне, да и были эти галактики совсем небольшими. Однако всего за 150 миллионов лет - с 630 млн лет (z=8) до 780 млн лет (z=7) после Большого взрыва общее число галактик выросло примерно в 3 раза, а самые яркие из них стали светить вдвое мощнее. Наша собственная звездная система, Млечный Путь, за это время не успела бы сделать и одного оборота вокруг своей оси, но ничего подобного галактикам-гигантам вроде нашей тогда, конечно, не было.

Дальше - меньше

Поместив пару еще не принятых к печати статей в публичный доступ, Баувенс и его коллеги все-таки попытались сохранить интригу. Они упоминают о подготовке третьей статьи, посвященной кандидатам на роль галактик с красным смещением z=10. Если таковые действительно удалось найти, это станет еще большим прорывом - возраст Вселенной на тот момент составлял лишь полмиллиарда лет, а что за объекты ее тогда населяли, пока совсем не ясно.

Правда, пара статей, появившихся в том же Архиве несколькими днями позже (arXiv:0909.2255 и arXiv:0909.2437), оставляют немного шансов на положительный исход поиска у z=10. Две международных команды астрономов под руководством ученых из Эдинбурга и Оксфорда провели независимую обработку тех же данных и представили свои результаты к публикации в британском журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Хотя способ поиска рекордных галактик у британцев отличается (вместо цветовых "выпадений" ученые полноценно подгоняли спектр, определяя наиболее вероятное значение красного смещения для каждого объекта), выводы обеих групп очень похожи, а большинство кандидатов на роль самых далеких галактик - те же, что и у американцев.

Совпадение придает уверенности в справедливости выводов всех трех групп, но, похоже, убивает интригу. У британцев увидеть галактики с красным смещением больше 8,5 (соответствующим возрасту Вселенной в 600 млн лет) не получилось. И даже если Баувенс объявит об открытии галактик на z=10, ему придется объяснять, почему британцы не нашли ничего подобного.