Когда Вселенная стала прозрачной

Международная команда астрономов, возглавляемая Хакимом Атеком из Федеральной политехнической школы Лозанны (Hakim Atek, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse), обнаружила на снимках орбитальной обсерватории Hubble более 250 крошечных галактик, существовавших в те времена, когда от момента Большого Взрыва прошло всего 600-900 млн лет — этот период эквивалентен диапазону красных смещений z=6-8. Найденные объекты стали одной из крупнейших выборок карликовых галактик, представляющих столь раннюю эпоху. Свет от них шел к нам почти 13 млрд лет.

Галактическое скопление MACS J0416.1-2403 — одно из шести, исследуемых с помощью телескопа Hubble в рамках программы «Пограничных полей» (Hubble Frontier Fields). Благодаря своей огромной массе скопление искривляет путь световых лучей от объектов, лежащих позади него, и оказывается чем-то наподобие исполинской линзы, увеличивая их видимый блеск и размеры (но одновременно искажая их вид — «вытягивая» в отрезки причудливых кривых).

Впечатляет и еще одно замечательное достижение команды ученых: самые слабые галактики, зарегистрированные в ходе исследований, оказались еще более тусклыми, чем в предыдущих наблюдениях телескопа Hubble (кроме сделанных в рамках целевых программ «сверхглубоких» снимков).

Исследовав свойства излучаемого этими галактиками света, астрономы пришли к выводу, что он мог сыграть важную роль в одном из самых загадочных периодов ранней истории Вселенной — в эпоху реионизации, начавшейся тогда, когда густой «туман» газообразного водорода, которым изначально было заполнено пространство, начал «рассеиваться» под влиянием излучения горячих массивных звезд. В результате фотоны ультрафиолетового диапазона получили возможность путешествовать на большие расстояния без поглощения водородными атомами: Вселенная стала прозрачной.

Скопление галактик MACS30717.5+3745. также сфотографированное телескопом Hubble в рамках программы «Пограничных полей» — одно из наиболее массивных подобных скоплений. Гравитационное линзирование, вызываемое суммарной массой его компонентов, охватывает наибольший участок неба (из всех участков, на которых наблюдается этот эффект).

Характеристики ультрафиолетового излучения галактик, найденных в ходе исследования, позволили выяснить, действительно ли некоторые из них участвовали в процессе реионизации. Впервые было четко установлено, что самые маленькие и в то же время наиболее многочисленные из объектов, охваченных исследованиями, являлись главными «действующими лицами» в поддержании прозрачности пространства — по крайней мере, для УФ-диапазона. Теперь ученые могут утверждать, что эпоха реионизации подошла к своему завершению примерно через 700 млн лет после Большого Взрыва (это эквивалентно красному смещению z=7,5). По словам Хакима Атека, если рассматривать влияние только ярких и массивных звездных систем, его оказывается недостаточно для полной «расчистки» Вселенной, поэтому необходимо принять во внимание вклад более многочисленной популяции слабых карликовых галактик.

Abell 2744 — так называемое «Скопление Пандоры» — один из наиболее известных галактических кластеров. Неудивительно, что именно с него начиналась серия наблюдений по программе «Пограничных полей». Согласно последним данным, он является результатом слияния нескольких меньших по размеру скоплений, «следы» которого в виде взаимодействующих галактик заметны на снимках с достаточно высоким разрешением.

В качестве исходных данных для анализа группа астрономов использовала самые «глубокие» на данный момент снимки гравитационно-линзовых систем в трех скоплениях галактик (MACSJ0416.1–2403, MACSJ0717.5+3745 и Abell 2744), которые были получены в рамках трехгодичной программы «Пограничных полей» (Hubble Frontier Fields). Эти скопления создают мощные гравитационные поля, играющие роль «увеличительных стекол» для света от расположенных за ними слабых галактик. Другими словами, они функционируют как гигантские природные телескопы, способные выявлять очень далекие карликовые галактики, которые иначе оставались бы невидимыми для современных инструментов. Описанный наблюдательный эффект делает возможным поиск и изучение самых первых объектов Вселенной.

Астрономы уверены, что на этом открытия «ранних галактик» не закончатся, так как в ближайшем будущем планируется наблюдение с помощью орбитального телескопа еще трех далеких галактических скоплений, а в 2021 г. в космос отправится еще более мощная обсерватория James Webb Space Telescope, которая также будет заниматься подобными исследованиями.