Вселенная - чертовски большое место. Когда мы смотрим на ночное небо, почти все, что видно невооруженному глазу, является частью нашей галактики: звездой, скоплением звезд, туманностью. За звездами Млечного Пути проглядывает, например, галактика Треугольника. Эти «островные миры» мы находим повсюду во Вселенной, куда ни глянь, даже в самых темных и пустых клочках пространства, если только сумеем собрать достаточно света, чтобы заглянуть достаточно глубоко.
Большинство этих галактик настолько далеки, что даже фотону, летящему на скорости света, потребуются миллионы или миллиарды лет, чтобы преодолеть межгалактическое пространство. Когда-то он был испущен поверхностью далекой звезды, а теперь он, наконец, добрался до нас. И хотя скорость в 299 792 458 метров в секунду кажется невероятной, тот факт, что мы прошли всего 13,8 миллиарда лет со времен Большого Взрыва, означает, что расстояние, которое преодолел свет, все же конечно.
Вы, наверное, думаете, что самая далекая галактика от нас должна быть не дальше, чем в 13,8 миллиарда световых лет от нас, но это было бы ошибкой. Видите ли, кроме того, что свет движется с конечной скоростью через Вселенную, есть и другой, менее очевидный факт: ткань самой Вселенной расширяется с течением времени.
Решения общей теории относительности, которые вообще исключали такую возможность, появились в 1920 году, но наблюдения, которые пришли позже - и показали, что расстояние между галактиками увеличивается, - позволили нам не только подтвердить расширение Вселенной, но и даже измерить темп расширения и как он менялся со временем. Галактики, которые мы видим сегодня, были гораздо дальше от нас, когда впервые испустили свет, полученный нами сегодня.
Галактика EGS8p7 в настоящее время является рекордсменом по удаленности. С измеренным красным смещением в 8,63, наша реконструкция Вселенной подсказывает нам, что свету этой галактики потребовалось 13,24 миллиарда лет, чтобы добраться до нас. Еще немного математики, и мы обнаружим, что видим этот объект, когда Вселенной было всего 573 миллиона лет, всего 4% от ее текущего возраста.
Но поскольку Вселенная расширялась все это время, эта галактика находится не в 13,24 миллиарда световых лет от нас; на самом деле, она уже в 30,35 миллиарда световых лет. И не стоит забывать: если бы мы могли мгновенно отправить сигнал из этой галактики к нам, он покрыл бы расстояние в 30,35 миллиарда световых лет. Но если вы вместо этого отправите фотон из этой галактики к нам, то благодаря темной энергии и расширению ткани пространства он никогда нас не достигнет. Эта галактика уже ушла. Единственная причина, по которой мы можем ее наблюдать с помощью телескопов Кека и Хаббла, заключается в том, что блокирующий свет нейтральный газ в направлении этой галактики оказался достаточно редким.
Зеркало Хаббла по сравнению с зеркалом Джеймса Вебба
Но не думайте, что эта галактика самая далекая из самых далеких галактик, которые мы когда-либо увидим. Мы видим галактики на таком расстоянии настолько, насколько нам позволяет наше оборудование и Вселенная: чем меньше нейтрального газа, чем больше и ярче галактика, чем чувствительнее наш инструмент, тем дальше мы видим. Через несколько лет космический телескоп Джеймса Вебба сможет заглянуть еще дальше, поскольку будет способен улавливать свет большей длины волны (и, следовательно, с большим красным смещением), сможет видеть свет, который не блокируется нейтральным газом, сможет видеть более тусклые галактики, чем наши современные телескопы (Хаббл, Спитцер, Кек).
В теории самые первые галактики должны появиться с красным смещением в 15-20.
Вселенная огромна и увлекательна. Сложно представить, насколько мала Земля по сравнению с космической бездной. Согласно самых осторожных предположений астрономов, существует 100 миллиардов галактик, а Млечный Путь - лишь одна из них. Что же касается Земли, только во Млечном пути есть 17 миллиардов подобных планет... и это не считая других, которые радикально отличаются от нашей планеты. А среди галактик, которые сегодня стали известны ученым, встречаются очень необычные.
1. Messier 82
Messier 82 или просто M82 - галактика в пять раз ярче Млечного Пути. Это обусловлено очень быстрым процессом рождением молодых звезд в ней – они появляются в 10 раз чаще, чем в нашей галактике. Красные шлейфы, исходящие из центра галактики - пылающий водород, который выбрасывается из центра M82.
2. Галактика-подсолнечник
Формально известная как Messier 63, эта галактика была прозвана Подсолнечником, поскольку выглядит так, будто сошла с картины Винсента Ван Гога. Ее яркие, извилистые "лепестки" состоят из недавно образованных сине-белых гигантских звезд.
3. MACS J0717
MACS J0717 является одной из самых странных галактик, известных ученым. Технически это не один звездный объект, а скопление галактик - MACS J0717 образовалась при столкновении четырех других галактик. Причем процесс столкновения идет уже более 13 миллионов лет.
4. Messier 74
Если бы у Санта Клауса была любимая галактика, то это явно стала бы Messier 74. О ней часто вспоминают астрономы во время рождественских праздников, ведь галактика очень похожа на Рождественский венок.
5. Галактика Baby Boom
Находящаяся примерно в 12,2 миллиардах световых лет от Земли, галактика "бэби-бум" была обнаружена в 2008 году. Получила она свое прозвище из-за того, что в ней невероятно быстро рождаются новые звезды - примерно каждые 2 часа. К примеру, в Млечному Пути новая звезда появляется в среднем каждые 36 дней.
6. Млечный путь
Наша Галактика Млечный Путь (в которой находится Солнечная система, а, соответственно, и Земля) действительно является одной из самых примечательных из известных ученым галактик во Вселенной. В ней есть, по крайней мере 100 миллиардов планет и около 200-400 миллиардов звезд, некоторые из которых являются одними из старейших в известной вселенной.
7. IDCS 1426
Благодаря кластеру галактик IDCS 1426 сегодня можно видеть то, какой была Вселенная на две трети моложе, чем сейчас. IDCS 1426 является самым массивном скоплением галактик в ранней Вселенной, которое имеет массу около 500 триллионов Солнц. Ярко-синее ядро галактики из газа является результатом столкновением галактик в этом кластере.
8. I Zwicky 18
Карликовая голубая галактика I Zwicky 18 - самая молодая из известных галактик. Ее возраст составляет всего 500 миллионов лет (возраст Млечного пути - 12 миллиардов лет) и она по сути пребывает в состоянии эмбриона. Это гигантское облако холодного водорода и гелия.
9. NGC 6744
NGC 6744 - большая спиральная галактика, которая (как считают астрономы) одна из наиболее похожих на наш Млечный путь. У галактики, расположенной примерно в 30 миллионах световых лет от Земли, на удивление идентичные с Млечным путем удлиненное ядро и спиральные рукава.
10. NGC 6872
Галактика, известная как NGC 6872, является второй по величине спиральной галактикой из когда-либо обнаруженных учеными. В ней было найдено множество областей активного звездообразования. Поскольку в NGC 6872 практически не осталось свободного водорода для образования звезд, она "высасывает" его из соседней галактики IC 4970.
11. MACS J0416
Найденная в 4,3 миллиардах световых лет от Земли, галактика MACS J0416 больше похожа на какое-то световое шоу на модной дискотеке. На самом деле, за яркими фиолетовыми и розовыми цветами скрывается событие колоссального масштаба - столкновение двух скоплений галактик.
12. M60 и NGC 4647 - галактическая пара
Хотя гравитационные силы притягивают большинство галактик друг к другу, нет никаких доказательств того, что подобное происходит с соседними Messier 60 и NGC 4647. При этом также нет никаких доказательств того, они отдаляются друг от друга. Как пара, давным-давно живущая вместе, эти две галактики так и мчатся бок о бок через холодный и темный космос.
13. Messier 81
Расположенная неподалеку от Messier 25, Messier 81 является спиральной галактикой со сверхмассивной черной дырой в центре, масса которой в 70 миллионов раз больше массы Солнца. M81 является домом для многих короткоживущих, но очень горячих голубых звезд. Гравитационное взаимодействие с M82 привело к тому, что между обеими галактики протянулись шлейфы газообразного водорода.
Около 600 миллионов лет назад галактики NGC 4038 и NGC 4039 врезались друг в друга, начав массово обмениваться звездами и галактической материей. Из-за внешнего вида эти галактики прозвали антеннами.
15. Галактика Сомбреро
Галактика Сомбреро - одна из самых популярных среди астрономов-любителей. Название она получила из-за того, что благодаря своему яркому ядру и большой центральной выпуклости выглядит как этот головной убор.
16. 2MASX J16270254 + 4328340
Эта расплывчатая на всех снимках галактика известна под довольно сложным названием 2MASX J16270254 + 4328340. В результате слияния двух галактик образовался "мелкодисперсный туман, состоящий из миллионов звезд". Считается, что этот "туман" медленно рассеивается, поскольку срок жизни галактики истекает.
17. NGC 5793
Не слишком странная (хотя очень красивая) на первый взгляд, спиральная галактика NGC 5793 более известна своим редким явлением: мазерами. Люди знакомы с лазерами, которые излучают свет в видимой области спектра, но мало кто знает о мазерах, которые излучают свет в диапазоне СВЧ.
18. Галактика Треугольника
На фото изображена туманность NGC 604, расположенная в одном из спиральных рукавов галактики Messier 33. Более 200 очень горячих звезд нагревают ионизованный водород в этой туманности, что заставляет его флуоресцировать.
19. NGC 2685
NGC 2685, которую также иногда называют спиральной галактикой, находится в созвездии Большой Медведицы. Будучи одной из первых найденных полярных кольцевых галактик, NGC 2685 имеет внешнее кольцо из газа и звезд, вращающихся вокруг полюсов галактики, что делает ее одной из самых редких разновидностей галактик. Ученые до сих пор не знают, что приводит к образованию этих полярных колец.
20. Messier 94
Messier 94 выглядит как ужасный ураган, который был снят на Земле с орбиты. Эта галактика окружена ярко-голубыми кольцами активно формирующихся звезд.
21. Кластер Пандоры
Формально известная как Abell 2744, эта галактика была прозвана кластером Пандоры из-за целого ряда странных явлений, вытекающих из столкновения нескольких более мелких скоплений галактик. В ней творится настоящий хаос.
22. NGC 5408
То, что больше похоже на снимках на разноцветный праздничный торт, - неправильная галактика в созвездии Центавра. Примечательна она тем, что испускает сверхмощное рентгеновское излучение.
23. Галактика Водоворот
Галактика Водоворот, официально известная как M51a или NGC 5194, достаточно большая и близкая к Млечному пути, чтобы ее можно было бы увидеть на ночном небе даже в бинокль. Она была первой классифицированной спиральной галактикой и представляет особый интерес для ученых благодаря своему взаимодействию с карликовой галактикой NGC 5195.
24. SDSS J1038 + 4849
Скопление галактик SDSS J1038 + 4849 является одним из самых привлекательных кластеров, когда-либо найденных астрономами. Выглядит он как настоящий смайлик в космосе. Глаза и нос являются галактиками, а изогнутая линия "рта" обусловлена воздействием гравитационного линзирования.
25. NGC3314a и NGC3314b
Хотя эти две галактики выглядят как будто они сталкиваются, на самом деле это оптический обман. Между ними десятки миллионов световых лет.
Галактиками называют гравитационно-связанные системы из звёзд, межзвёздного газа, пыли, и тёмной материи. Диаметр галактик составляет от 5 до 250 килопарсек. Это много.
Например, диаметр нашей Галактики составляет 30 килопарсек – свет из одного её края в другой будет лететь целых 100 тысяч лет. А еще в ней, как минимум, 200 миллиардов звёзд…
1. Спиральная галактика NGC 4639 с перемычкой в созвездии Дева. Находится на расстоянии более 70 миллионов световых лет от Земли. (Фото Reuters | NASA | ESA | Hubble):
2. Туманность Вуаль — огромный и относительно тусклый остаток сверхновой. Звезда взорвалась примерно 5000-8000 лет назад, и за это время туманность покрыла на небе область в 3 градуса. Расстояние до неё оценивается в 1 400 световых лет. (Фото Reuters | NASA | ESA | Hubble):
3. Более пятой части Вселенной скрыто от нашего взгляда пылью и звездами из диска нашей галактики. Множество галактик находятся в «зоне избегания», в области пространства, которое, как правило, недоступно для телескопов. Вот так они могут выглядеть, согласно воображению художников. (Фото Reuters | ICRAR):
4. Центавр А - одна из самых ярких и близких к нам соседних галактик, нас разделяет всего 12 миллионов световых лет. По яркости галактика занимает пятое место (после Магеллановых Облаков, туманности Андромеды и галактики Треугольника). (Фото Reuters | NASA):
5. Спиральная галактика с перемычкой M83, также известная как Южная Вертушка. Находится на расстоянии приблизительно 15 миллионов световых лет от нас. В 2014 году астрономы обнаружили MQ1, которая сама по себе лёгкая, но с большой интенсивностью поглощает окружающую материю. (Фото Reuters | NASA):
6. Галактика М 106 в созвездии Гончие Псы. В ядре расположена сверхмассивная черная дыра массой 36 миллионов солнечных масс в пределах 40 000 астрономических единиц. (Фото Reuters | NASA):
7. Часть туманности Тарантул, расположенной в Большом Магеллановом Облаке. Огромные звёзды туманности являются мощными источниками излучения, которое выдувает из межзвёздного газа и пыли гигантские пузыри. Некоторые из звёзд взорвались сверхновыми, в результате чего пузыри были подсвечены рентгеновским излучением. (Фото Reuters | NASA):
8. Спиральная галактика NGC 1433 с перемычкой в созвездии Часы, находящаяся на расстоянии около 32 миллионов световых лет от Земли. (Фото Reuters | NASA | ESA | Hubble):
9. Галактика NGC 1566, находящаяся на расстоянии около 40 миллионов световых лет от Земли в созвездии Золотой Рыбы. (Фото Reuters | NASA | ESA | Hubble):
10. Рентгеновские лучи молодой сверхновой в галактике M83. (Фото Reuters | NASA):
11. Спиральная галактика М94 в созвездии Гончих Псов. Галактика примечательна тем, что обладает двумя мощными кольцеобразными структурами. (Фото Reuters | NASA | ESA):
12. Спиральная галактика NGC 4945 с перемычкой в созвездии Центавр. Она достаточно похожа на нашу Галактику, однако рентгеновские наблюдения показывают наличие сейфертовского ядра, вероятно, содержащего активную сверхмассивную чёрную дыру. (Фото Reuters | NASA):
13. z8 GND 5296 - галактика, обнаруженная в октябре 2013 года в созвездии Большой Медведицы. По предварительным оценкам, свет от этой галактики достигает Земли приблизительно за 13 миллиардов лет. Это не снимок, а художественное изображение. (Фото Reuters | NASA | Hubble):
14. Отражательная туманность Голова Ведьмы (IC 2118) в созвездии Эридана. Эта отражательная туманность весьма своеобразной формы связана с яркой звездой Ригель в созвездии Ориона. Туманность находится на расстоянии около 1000 световых лет от Солнца. (Фото Reuters | NASA):
15. Галактика Подсолнух в созвездии Гончие Псы. Находится на расстоянии 27 миллионов световых лет. (Фото Reuters | NASA | ESA | Hubble):
16. Ядро спиральной галактики М 61 в созвездии Дева. И всего-то в 100 000 световых лет от нас. (Фото Reuters | NASA | ESA | Hubble):
17. Спиральная галактика Фейерверк NGC 6946 с перемычкой, которая находится на расстоянии 22 миллиона световых лет в созвездии Лебедь, на границе с Цефеем. (Фото Reuters | NASA):
18. Облако горячего газа, температурой в много миллионов градусов. Появилось, скорее всего, в результате столкновения карликовой галактики и гораздо большей галактики NGC 1232, находящейся в созвездии Эридан. (Фото Reuters | NASA):
19. Галактика NGC 524 в созвездии Рыбы. От нас свет туда будет лететь 90 миллионов лет. (Фото Reuters | NASA | ESA | Hubble):
20. Крабовидная туманность - газообразная туманность в созвездии Тельца, являющаяся остатком сверхновой. Расположенная на расстоянии около 6500 световых лет (2 кпк) от Земли, туманность имеет диаметр в 11 световых лет (3,4 пк) и расширяется со скоростью около 1 500 километров в секунду. В центре туманности находится пульсар (нейтронная звезда), 28-30 км в диаметре. (Фото Reuters | NASA | ESA):
Астрономы из Техасского университета A&M и Техасского университета в Остине обнаружили самую далёкую из известных нам галактик. Согласно данным спектрографии, она находится на расстоянии примерно 30 млрд световых лет от Солнечной системы (или от нашей Галактики, что в данном случае не столь существенно, потому что диаметр Млечного пути - всего лишь 100 тыс. световых лет).
Самый дальний объект во Вселенной получил романтичное название z8_GND_5296.
«Восхитительно знать, что мы - первые люди в мире, кто увидел его, - сказал доктор наук Вител Тилви (Vithal Tilvi), соавтор научной работы, которая сейчас опубликована в онлайне (для бесплатного просмотра научных работ используйте сайт sci-hub.org).
Обнаруженная галактика z8_GND_5296 сформировалась через 700 млн лет после Большого взрыва. Собственно, в таком состоянии мы и видим её сейчас, потому что свет от новорожденной галактики только сейчас дошёл до нас, пройдя расстояние в 13,1 млрд световых лет. Но поскольку в процессе этого Вселенная расширялась, то на данную минуту, как показывают расчёты, расстояние между нашими галактиками составляет 30 млрд световых лет.
В новорожденных галактиках интересно то, что там идёт активный процесс формирования новых звёзд. Если в нашем Млечном пути появляется по одной новой звезде в год, то в z8_GND_5296 - примерно по 300 в год. То, что происходило 13,1 млрд лет назад, мы можем спокойно сейчас наблюдать в телескопы.
Возраст далёких галактик можно определить по космологическому красному смещению, вызванному в том числе эффектом Доплера. Чем быстрее удаляется объект от наблюдателя, тем сильнее проявляется эффект Доплера. Галактика z8_GND_5296 показала красное смещение 7,51. Около сотни галактик обладают красным смещением больше 7, то есть они сформировались до того, как Вселенной исполнилось 770 млн лет, и предыдущим рекордом было 7,215. Но лишь у нескольких галактик расстояние подтверждено по данным спектрографии, то есть по спектральной линии Лайман альфа (о ней ниже).
Радиус Вселенной составляет как минимум 39 млрд световых лет. Казалось бы, это противоречит возрасту Вселенной в 13,8 млрд лет, но противоречия нет, если учесть расширение самой ткани пространства-времени: для этого физического процесса не существует ограничения по скорости.
Учёным не совсем понятно, почему не удаётся наблюдать другие галактики возрастом до 1 млрд лет. Удалённые галактики наблюдают по чёткому проявлению спектральной линии L α (Лайман альфа), которая соответствует переходу электрона со второго энергетического уровня на первый. Почему-то у галактик младше 1 млрд лет линия Лайман альфа проявляется всё слабее. Одна из теорий состоит в том, что как раз в то время происходил переход Вселенной из непрозрачного состояния с нейтральным водородом в полупрозрачное состояние с ионизированным водородом. Мы просто не можем увидеть галактики, которые скрыты в «тумане» из нейтрального водорода.
Как же z8_GND_5296 смогла пробиться через туман нейтрального водорода? Учёные предполагают, что она ионизировала ближайшие окрестности, так что протоны смогли прорваться. Таким образом, z8_GND_5296 - самая первая из известных нам галактик, которая вышла из непрозрачного месива нейтрального водорода, наполнявшего Вселенную в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва.
В 2009 году на космическом телескопе имени Хаббла, который находится на околоземной орбите с 1990 года, в видимом диапазоне спектра были получены изображения самых далеких от Земли и самых старых галактик из тех, которые ученым когда-либо удавалось наблюдать. Для того чтобы получить изображение столь далеких и, соответственно, тусклых галактик (их светимость составляет одну миллионную долю светимости объекта, который может различить невооруженный человеческий глаз) ученые порядка четырех дней собирали свет от одной и той же области неба.
Несколько галактик, изображения которых были получены таким образом, проявили себя как кандидаты в галактики, находящиеся в стадии реионизации.
Вкратце напомним, что реионизация произошла после того, как в ранней Вселенной появились первые источники излучения, которые выдували своего рода «ионизированные пузыри» в окружающем их нейтральном газе, пока все эти пузыри не слились воедино и всё межгалактическое пространство не стало вновь ионизованным.
Это состояние межгалактической среды сохраняется до сегодняшнего дня, поскольку вот уже многие миллиарды лет галактики светят беспрерывно.
Одну из таких галактик, UDFy-38135539, которая «зажглась» примерно через 600 млн лет после рождения Вселенной, и удалось обнаружить на телескопе имени Хаббла в 2009 году. Для того чтобы подтвердить это открытие, требовалось провести качественные спектроскопические наблюдения, чтобы по ним определить красное смещение z. Напомним, что этим параметром в астрономии характеризуется расстояние до далеких объектов: z показывает изменение длины волны излучения объекта в результате расширения Вселенной.
Теоретические расчеты, проведенный сотрудниками Европейской южной обсерватории (ESO), показали, что с помощью одного из самых крупных наземных телескопов (находящегося в Чили VLT, принадлежащего ESO), инфракрасного спектрографа SINFONI и при наличии большого количества наблюдательного времени возможно зафиксировать свечение этой далекой галактики и определить ее красное смещение. По специальному запросу группе ученых было выделено время на телескопе для наблюдений UDFy-38135539.
После двух месяцев работы на телескопе, тщательного анализа и проверки полученных результатов ученые пришли к выводу, что они очень четко обнаружили слабое излучение этой галактики в линии водорода. Красное смещение объекта оказалось 8,6, что соответствует моменту времени 600 миллионов лет после Большого взрыва.
Таким образом, в настоящее время эта галактика является самым удаленным астрономическим объектом, который когда-либо наблюдался людьми.
До этого самой удаленной галактикой была IOK-1 из созвездия Волосы Вероники, красное смещение которой было равно 6,96. Самым удаленным объектом же был гамма-всплеск GRB 090423 (созвездие Льва) с z = 8,2.
Несколько раз астрономы уже фиксировали объекты с красным смещением около десяти. Но все время эти данные не выдерживали дополнительной наблюдательной проверки. Сейчас же ошибка практически исключена: получен очень качественный спектр галактики UDFy-38135539.
«Измерение красного смещения самых далеких галактик является очень интересным само по себе, но астрофизические последствия этого еще более важны, – говорит один из авторов работы, опубликованной в Nature, Николь Несвадьба. – Сейчас мы точно знаем, что видели одну из галактик, которая только-только начала вырисовываться из тумана, которым была заполнена ранняя Вселенная».
«Вероятно, там были и другие галактики, более слабые и менее массивные, которые также помогли сделать пространство вокруг наблюдаемой галактики прозрачным, – говорит другой автор работы, Марк Суинбэнк. – Без этой дополнительной помощи мы вряд ли обнаружили бы наш объект».
Ученые также отмечают, что изучение эпохи реионизации, когда начали формироваться галактики, позволяет продемонстрировать текущие возможности телескопов.