Посмотрев далеко, мы можем оглянуться назад во времени. Этот простой, но невероятный факт позволяет астрономам наблюдать снимки Вселенной в разное время, используя их, чтобы собрать воедино сложную историю космической эволюции. С каждым новым телескопом, который мы строим, мы можем видеть все дальше и раньше историю Вселенной. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) надеется всмотреться назад, когда формировались первые галактики.
Связанный контент
- Познакомьтесь с преемником Хаббла, который будет смотреть сквозь время
Понятие, что взгляд соответствует взгляду назад, относительно молодо. Это происходит из теории специальной теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, среди прочего, что свет распространяется со скоростью света, и что ничто не движется быстрее, чем это. В повседневной жизни мы почти никогда не испытываем последствий этой концепции, потому что скорость света настолько велика (300 000 км / с, или примерно в миллион раз быстрее, чем у реактивного самолета), что это «время в пути» вряд ли имеет значение. Если мы включаем свет или кто-то отправляет нам электронное письмо из Европы, мы воспринимаем эти события (мы видим, что лампочка горит или получает электронное письмо) как мгновенные, потому что свету требуется лишь крошечная доля секунды, чтобы пройти через комната или даже вокруг всей Земли. Но в астрономическом масштабе конечность скорости света имеет глубокие последствия.
Солнце находится на расстоянии около 150 миллионов километров, что означает, что свет от Солнца занимает около 8 минут и 20 секунд, чтобы добраться до нас. Когда мы смотрим на солнце, мы видим картину, которой 8 минут. До нашей ближайшей соседней галактики, Андромеды, около 2, 5 миллионов световых лет; когда мы смотрим на Андромеду, мы смотрим на нее так, как это было 2, 5 миллиона лет назад. Это может звучать как много в человеческом масштабе времени, но это очень короткое время, когда речь идет о галактиках; наша «несвежая» картина, вероятно, все еще является хорошим представлением того, как выглядит Андромеда сегодня. Однако огромное пространство Вселенной гарантирует, что во многих случаях значение времени прохождения света имеет значение. Если мы посмотрим на галактику, находящуюся на расстоянии одного миллиарда световых лет, мы увидим ее такой, какой она была один миллиард лет назад, - достаточно времени, чтобы галактика значительно изменилась.
Итак, как далеко мы можем увидеть во времени? Ответ на этот вопрос определяется тремя различными факторами. Одним из них является тот факт, что Вселенной «всего» 13, 8 миллиардов лет, поэтому мы не можем оглянуться назад во времени на более отдаленную эпоху, чем начало Вселенной, известное как Большой Взрыв. Другая проблема - по крайней мере, если мы имеем дело с астрофизическими объектами, такими как галактики, - это то, что нам нужно что-то посмотреть. Изначальная вселенная была обжигающим супом из элементарных частиц. Этим частицам потребовалось некоторое время, чтобы они охладились и объединились в атомы, звезды и галактики. Наконец, даже когда эти объекты были на месте, для их наблюдения с Земли через много миллиардов лет требуются чрезвычайно мощные телескопы. Яркость физических источников быстро уменьшается с расстоянием, и попытка обнаружить галактику на расстоянии 1 миллиард световых лет так же сложна, как и попытка обнаружить фару автомобиля на расстоянии около 60 000 миль. Попытка обнаружить ту же галактику на расстоянии 10 миллиардов световых лет труднее в 100 раз.
До сих пор это было движущим фактором в ограничении расстояния до самых дальних галактик, которые мы можем видеть. До 1980-х годов все наши телескопы базировались на земле, где атмосфера Земли и световое загрязнение препятствуют их работе. Тем не менее, мы уже знали о галактиках на расстоянии более 5 миллиардов световых лет. Запуск космического телескопа Хаббла в 1990 году позволил нам много раз побить этот рекорд расстояния, и, когда я пишу это, самая дальняя из известных галактик находится в ошеломляющем 13, 4 миллиарда лет в прошлом.
JWST будет использовать инфракрасный свет для изучения каждой фазы космической истории, начиная от первых световых лучей после Большого взрыва до формирования звездных систем, способных поддерживать жизнь на планетах, подобных Земле. (NASA) Это подводит нас к одному из ключевых вопросов современной астрономии: какие свойства этих далеких галактик мы можем измерить? Хотя наблюдения близлежащих галактик показывают их формы и цвета очень подробно, зачастую единственной информацией, которую мы можем собрать о самых отдаленных галактиках, является их общая яркость. Но, взглянув на них с помощью телескопов, чувствительных к частотам света за пределами видимого диапазона, таких как ультрафиолет, радио и инфракрасный свет, мы можем обнаружить подсказки о звездных популяциях галактики, а также о ее расстоянии от нас.
Наблюдая за галактиками на максимально возможном количестве различных частот, мы можем создать спектр, который показывает, насколько яркой является галактика в каждом типе света. Поскольку вселенная расширяется, электромагнитные волны, которые обнаруживаются нашими телескопами, растянуты по пути, и так случается, что величина растяжения в спектрах пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Эти отношения, называемые законом Хаббла, позволяют нам измерить, насколько далеко находятся эти галактики. Спектры могут также показать другие свойства, такие как общее количество массы в звездах, скорость, с которой галактика образует звезды, и возраст звездных популяций.
Всего несколько месяцев назад группа астрономов из США и Европы использовала наблюдения с космического телескопа Хаббла и инфракрасного космического телескопа Спитцера, чтобы обнаружить самую дальнюю галактику, известную на сегодняшний день, GN-z11. Наблюдаемый только через 400 миллионов лет после Большого взрыва («когда Вселенная составляла только 3 процента от ее нынешнего возраста», по словам главного исследователя Паскаля Оша), его масса объединена в один миллиард солнц, примерно 1/25 нашей собственной. Млечный Путь.
GN-z11 формирует звезды примерно в 20 раз быстрее, с замечательной скоростью 25 новых солнц в год. «Удивительно, что такая массивная галактика существовала всего лишь от 200 до 300 миллионов лет после того, как начали формироваться первые звезды. Требуется действительно быстрый рост, производящий звезды с огромной скоростью, чтобы сформировать галактику с миллиардными солнечными массами так скоро », - объясняет Гарт Иллингворт, еще один исследователь из группы открытий.
Существование такого массивного объекта в столь раннее время вступает в противоречие с современными сценариями космической сборки, ставя новые задачи перед учеными, работающими над моделированием образования и эволюции галактик. «Это новое открытие показывает, что телескоп Уэбба (JWST) наверняка обнаружит, что многие такие молодые галактики уходят в прошлое, когда формировались первые галактики», - говорит Иллингворт.
Запуск JWST запланирован на 2018 год, и он будет вращаться вокруг системы Солнце / Земля из специального места в 900 000 миль от нас. Как и Хаббл, JWST будет нести несколько инструментов, включая мощные камеры и спектрографы, но у него будет повышенная чувствительность: его основное зеркало будет почти в семь раз больше, а его частотный диапазон будет распространяться гораздо дальше в инфракрасную область. Различный диапазон частот позволит JWST обнаруживать спектры с большей протяженностью, принадлежащие более удаленным объектам. Он также будет иметь уникальную возможность снимать спектры 100 объектов одновременно. С JWST мы ожидаем, что преодолеем дистанционный барьер еще дальше, к эпохе всего через 150 миллионов лет после Большого взрыва, и откроем самые первые из когда-либо образовавшихся галактик. JWST поможет нам понять, как формы галактик изменяются со временем, и какие факторы влияют на взаимодействие и слияние галактик.
Но JWST будет смотреть не только на галактики. Посмотрев на вселенную в инфракрасном свете, мы сможем увидеть сквозь плотные завесы пыли, которые окутывают недавно рожденных звезд и планет, обеспечивая окно для формирования других солнечных систем. Кроме того, специальные инструменты, называемые коронографами, позволят получать изображения планет вокруг других звезд, и, мы надеемся, приведут к открытию нескольких похожих на Землю планет, способных принимать жизнь. Для любого, кто когда-либо смотрел на небо и задавался вопросом, что там, следующее десятилетие будет очень захватывающим временем.
