Свет первых звезд

Примерно 13,8 млрд лет назад, спустя 400 тыс. лет после Большого взрыва. Вселенная внезапно погрузилась во тьму. До этого она представляла собой раскаленную бурлящую плазму— плотное облако из протонов, нейтронов и электронов, похожее на пар, клубящийся над тарелкой горячего супа, но только пар этот был ослепительно ярким.

Через 400 тыс. лет после Большого взрыва расширяющаяся Вселенная остыла до температуры, при которой могли образовываться атомы водорода, — процесс, называемый рекомбинацией. Туман рассеялся, Вселенная продолжала остывать и все быстрее погружаться во мрак. Наступили, как говорят астрономы, темные века Вселенной.

Они и в самом деле были темными, потому что даже свет первых звезд активно поглощался недавно образовавшимся газообразным водородом, поскольку находился в основном в ультрафиолетовом диапазоне. Изначально раскаленный, ярко светящийся туман, составляющий Вселенную, превращался в холодную и темную субстанцию.

Со временем туман рассеялся, но как это произошло — вопрос, на который астрономы долгое время не могли найти ответ. Возможно, в этом участвовали первые звезды, чье интенсивное излучение медленно, но верно разрушало водород входе процесса, получившего название реиоиизации. Может быть, источником энергии для реионизации послужило излучение, которое генерировал раскаленный газ, закручиваемый по спирали в огромные черные дыры.

Само собой разумеется, что ключ к пониманию того, как и когда происходила реионизация, следует искать в самых старых объектах Вселенной, выясняя их природу и происхождение. Когда зажглись первые звезды и как они выглядели? Каким образом звезды собрались в галактики и как в этих галактиках появились супермассивные черные дыры, одни в самом центре, другие на периферии? В какой период формирования галактик они образовались? Был ли этот процесс постепенным или скоротечным?

Эти и многие другие вопросы ставят перед собой астрофизики с 1960-х гг. В последнее время благодаря появлению мощных телескопов и компьютеров удалось получить ответы на некоторые из них. Так, совсем недавно была создана компьютерная модель образования и эволюции самых первых звезд во Вселенной, а немногим ранее, на основе большого объема данных о характерных всплесках света за период менее полумиллиарда лет, прошедших после Большого взрыва, была получена оценка времени зарождения первых галактик.

Суперзвезды

Лет десять назад астрономы считали, что им достоверно известно, как образовалось первое поколение звезд. Думали они так. Сразу же после эры рекомбинации атомы водорода равномерно распределились по всему космическому пространству. В отличие от этого темная материя, состоящая, по мнению астрофизиков, из невидимых частиц, которые, впрочем, пока никто не зарегистрировал, начала к этому времени собираться в облака — так называемые гало, предположительно достигающие от 100 тыс. до 1 млн масс Солнца. Порождаемая этими гало гравитация притягивала атомы водорода. По мере увеличения концентрации и температуры газа он начинал светиться. Так появились первые звезды.

Возможно, первое поколение звезд-гигантов, так называемые звезды популяции III. разорвали пелену газообразного водорода и реионизировали Вселенную. Но это могло произойти лишь в том случае, если они светили достаточно ярко и жили достаточно долго.

Характеристики этих звезд напрямую зависят от их размеров. Десятилетие назад астрономы считали, что все они были одинаково огромны и по массе каждая примерно в 100 раз превышала массу Солнца. Основанием так думать служил тот факт, что газ, сжимающийся под действием гравитации, обязательно нагревается. Тепло порождает радиационное давление, которое противодействует гравитации; пока звезда способна излучать тепло, коллапс будет сдерживаться.

Первые звезды состояли в основном из водорода, который под действием тепла мог взрываться. Звезды, подобные нашему Солнцу, содержат также в небольшом, но все же ощутимом количестве такие химические элементы, как кислород и углерод, которые способствуют их охлаждению. Итак, протозвезда в ранней Вселенной продолжала вырабатывать газообразный водород, но высокое давление препятствовало образованию плотного ядра, в котором мог бы протекать ядерный синтез— процесс, благодаря которому большая часть поглощенного газа возвращалась в космическое пространство. Чтобы обзавестись массивным объемным ядром, звезде необходимо было вбирать все больше и больше газа.

Сегодня, по мнению Томаса Грейфа (Thomas Greif). доктора наук из Гарвардского университета, который занимается созданием наиболее сложных моделей образования первых звезд, «ситуация представляется немного более сложной». Новейшие модели учитывают не только гравитацию, но и последствия сильного сжатия водорода. Оказывается, коллапс водородного облака может приводить к разным результатам. В одних случаях первые звезды могли быть в миллион раз массивнее Солнца. В других, если коллапсирующее облако разделялось на части, рождалось сразу несколько звезд, каждая всего в несколько десятков раз массивнее нашего светила.

Такие различия в размерах говорят о том, что диапазон продолжительности жизни первых звезд мог быть огромным, следовательно, и реионизация могла происходить в широком временном диапазоне. Звезды-гиганты, по массе в 100 и более раз превосходящие Солнце, — «рок-н-ролльщики» Вселенной: они проживали бурную жизнь и умирали молодыми. Звезды меньшего размера экономнее расходовали свое ядерное топливо, и если они были причастны к реиоиизации, то это был очень продолжительный процесс, растянувшийся на многие сотни миллионов лет.

Черный свет

Как бы огромны ни были звезды, все они когда-то заканчивают свое существование, ярко вспыхнув и став сверхновыми, а затем, резко сжавшись, превращаются в черные дыры. Последние — возможно, даже в большей степени, чем звезды, из которых они образовались,— могли быть источниками энергии для реионизации.

Черные дыры буквально заглатывают окружающий газ; в их «чреве» он сжимается и раскаляется до температуры в несколько миллионов градусов. Температура внутри черной дыры так высока, что, хотя в конце концов большая часть газа оказывается в ее недрах, из них в космическое пространство начинает вырываться вещество в виде огромных газовых струй, сияющих так ярко, что их свет достигает самых дальних уголков Вселенной. Мы называем такие светящиеся космические объекты квазарами.

По большому счету в период с 1960-х по 1990-е гг. узнать что-либо о ранней Вселенной удавалось только с помощью квазаров. Вначале астрономы вообще не знали, что это за объекты. Квазары выглядели как ближайшие к Земле звезды, но их излучение отличалось огромным красным смещением. «Покраснение» было связано с расширением Вселенной и свидетельствовало о том, что квазары расположены гораздо дальше, чем могут находиться любые автономные звезды; кроме того, они светили гораздо ярче. У первого обнаруженного квазара, 3С 273. параметр красного смещения был равен 0.16, а это говорило о том, что испускаемый им свет шел до нас примерно 2 млрд лет.

«Затем в течение очень короткого периода времени, — говорит Майкл Стросс (Michael A. Strauss), астрофизик из Принстонского университета, — были обнаружены квазары с параметром красного смещения до двух». Свет от них шел более 10 млрд лет. К 1991 г. Мартен Шмидт, Джеймс Гани и Доналд Шнейдер, работавшие в Паломарской обсерватории в Сан-Диего, Калифорния, обнаружили квазар с параметром красного смещения 4,9, датируемый 12,5 млрд лет от настоящего времени, или всего одним миллиардом с небольшим от момента Большого взрыва.

Однако исследования квазара с параметром красного смещения 4.9 не обнаружили никаких признаков, что его световое излучение поглощалось нейтральным водородом. Вероятно, к тому времени, когда свет от этого квазара начал свой путь к Земле, Вселенная уже была реионизована.

На протяжении почти всех 1990-х гг. ни одного более удаленного квазара обнаружить не удалось. И проблема была не в отсутствии достаточно мощного оборудования и приборов — в начале 1990-х гг. уже были введены встрой космический телескоп «Хаббл» и Обсерватория Кека, расположенная на вершине горы Мауна-Кеа на острове Гавайи, что позволяло заглянуть в глубины Вселенной. Просто квазары— весьма редкие объекты. Их порождают только самые массивные среди супермассивных черных дыр, и мы можем видеть их лишь в том случае, если вырывающиеся струи газа направлены прямо на нас.

Более того, эти струи возникают только тогда, когда черная дыра активно заглатывает газ. Для большинства черных дыр пик активности находился между значениями параметра красного смещения 2 и 3. когда галактики в среднем были наполнены газом в большей степени, чем теперь. Если заглянуть дальше зоны наилучшего восприятия в космическом времени, станет заметно, что число квазаров быстро убывает. Ситуация изменилась в 2000 г., когда в рамках проекта «Слоуновский цифровой небесный обзор» (Sloan Digital Sky Survey, SDSS) начались методичные исследования и картографирование небесной сферы с использованием 2,5-метрового широкоугольного телескопа и самых мощных к тому времени цифровых детекторов (их сконструировал упомянутый выше Джеймс Ганн). «Проект SDSS оказался фантастически успешным в плане обнаружения удаленных квазаров, — говорит Ричард Эллис (Richard Ellis), астроном из Калифорнийского технологического института. — В его рамках было обнаружено от 40 до 50 квазаров с красным смещением более 5,5».

Заглянуть существенно дальше горстки квазаров со смещением в пределах от 6 до 6,4 не удалось, но и на таком расстоянии не обнаруживалось никаких следов нейтрального водорода. Лишь с открытием в рамках программы «Инфракрасный небесный обзор» с помощью Британского инфракрасного телескопа (UKIRT), установленного на горе Мауна-Кеа. квазара с параметром красного смещения 7.085 астрономы выявили небольшое, но измеримое количество поглощающего УФ-излучение водорода, который затемнял космический объект. Этот квазар (он получил название ULAS J1120+0641), сиявший около 700 млн лет после Большого взрыва, наконец позволил астрономам взглянуть одним глазком на эру реиоиизации — но лишь одним, потому что в этот близкий к Большому взрыву период времени большая часть нейтрального водорода уже была разрушена.

А может быть и нет. Не исключено, что этот квазар находится в сильно разреженной области, заполненной остатками нейтрального водорода, а большинство других, расположенных на таком же расстоянии, были затемнены. В равной степени возможно, что ULAS J1120+0641, напротив, находится в области повышенной плотности, где по сравнению с другими областями процесс реионизации почти завершился. Не располагая другими подобными примерами, мы не можем что-либо утверждать наверняка, а перспективы обнаружения достаточного количества квазаров на таком расстоянии, чтобы провести статистически достоверные исследования, весьма призрачны.

Но даже один только ULAS J1120+0641 дал астрономам массу полезной информации, над которой стоит поломать голову. С одной стороны, по словам Эллиса, «с увеличением расстояния число квазаров уменьшается настолько резко, что вряд ли массивные черные дыры могли быть основным источником излучения, реионизующего Вселенную». С другой стороны, черные дыры питающие энергией конкретные квазары, должны обладать массой, в миллиарды раз превосходящей массу Солнца, — иначе они не смогут вырабатывать столько энергии, сколько необходимо, чтобы квазары были видны на таком огромном расстоянии. «Уму непостижимо, как они смогли сформироваться зато короткое время, которое прошло с момента рождения Вселенной», — говорит Эллис.

И тем не менее это произошло. Абрахам Лоеб, заведующий кафедрой астрономии Гарвардского университета, обращает внимание на то. что если звезда первого поколения с массой в 100 масс Солнца коллапсировала в черную дыру в течение нескольких миллионов лет после Большого взрыва, то при благоприятных обстоятельствах она вполне могла превратиться в квазар. «Но для этого черная дыра должна была постоянно подпитываться веществом. — говорит он. — Как это могло происходить, трудно сказать. Они вырабатывали так много энергии, что должны были поглотить весь содержащийся вблизи газ». Без этого квазары непременно со временем потухнут, пока газ не образуется снова и не вернет их к жизни, — и так опять, до очередного истощения запасов топлива. «Таким образом, процесс замыкается в непрерывный рабочий цикл, — говорит Лоеб. — Черная дыра может существовать лишь ограниченное время».

Далее черные дыры могут сливаться друг с другом, что ускоряет их рост. А результаты недавних измерений размеров звезд наводят на мысль, что первые черные дыры образовались из звезд, превышающих Солнце по массе не в 100, а в миллион раз. Впервые эту идею высказал Лоеб в 2003 г. И поскольку такие звезды сияют не менее ярко, чем весь Млечный Путь, в принципе их можно будет наблюдать с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» — орбитальной инфракрасной обсерватории, которая будет запущена в 2018 г. и придет на смену знаменитому телескопу «Хаббл».

В поисках галактик

После того как попытки обнаружить удаленные квазары себя исчерпали, начались поиски галактик, которые образовались в самом скором времени после Большого взрыва. Наиболее важным событием на этом пути стало получение космическим телескопом «Хаббл» изображения маленькой области в созвездии Большой Медведицы, названной Хаббловской областью глубокого обзора. Построение изображения проводилось в течение нескольких дней в декабре 1995 г., для чего Роберт Уильяме, в то время директор Научного института космического телескопа, использовал привилегию своей должности— так называемое «резервное время директора»— на то, чтобы направить широкоугольную планетную камеру «Хаббла» в заведомо пустой участок неба и пристально вглядываться в него в течение 30 часов в надежде обнаружить какой-нибудь тусклый космический объект. «Некоторые весьма уважаемые астрономы говорили, что это выброшенное на ветер время и он ничего путного не увидит», — вспоминает Мэтт Маунтин, нынешний директор института.

Однако телескоп в действительности зафиксировал несколько сотен небольших тусклых галактик, многие из которых оказались одними из числа самых удаленных среди наблюдавшихся до этого. Следующие изображения, полученные с помощью новой широкоформатной камеры 3, установленной на «Хаббле» в 2009 г. в ходе ремонтных работ, оказались в 35 раз эффективнее и намного глубже, что позволило заглянуть еще дальше. «Сначала мы обнаружили четыре или пять галактик с красным смещением 7 и более, — говорит Дэниел Старк, эксперт из Аризонского университета и давний коллега Эллиса.— в результате же их оказалось более сотни». Одна из них, описанная Эллисом, Старком и другими соавторами в статье, вышедшей в 2012 г., имела красное смещение не менее 11,9 и образовалась не позднее 400 млн лет после Большого взрыва.

Как и квазары-рекордсмены, эти юные галактики способны много рассказать о распределении межгалактического водорода в те далекие времена. Когда за их свечением наблюдают в ультрафиолетовом диапазоне, значительную часть того, что ожидается, увидеть не удается, поскольку излучение поглощается окружающим галактики нейтральным водородом. С удалением времени образования галактик от момента Большого взрыва эта поглощенная часть постепенно уменьшается, пока, наконец, начиная с отметки примерно в 1 млрд лет после рождения Вселенной космос не становится полностью прозрачным.

Итак, галактики не только служат источником ионизирующего излучения, но и могут поведать, как Вселенная превратилась из нейтральной в полностью ионизованную. Детективы от астрономии идут по горячим следам и уже добились определенных результатов, но так скоро, как хотелось бы, дела не делаются. Если взять случайную выборку из 100 удаленных галактик с красным смещением более 7 и разбросать их по всему небосводу, то суммарного испускаемого ими ультрафиолетового излучения окажется недостаточно для ионизации всего нейтрального водорода. Похоже, нюх ищейки недостаточно остер, чтобы удержать след. Необходимая энергия не могла исходить от черных дыр или от супермассивных черных дыр. если учесть, чего стоит образование последних, тем более за столь короткое время.

Выход из тупика может оказаться достаточно простым. Галактики кажутся нам тусклыми, потому что находятся на пределе чувствительности «Хаббла», а в свою эпоху они, возможно, были самыми яркими объектами. На таких огромных расстояниях должно быть гораздо больше галактик, но они светят слишком слабо, чтобы мы могли их увидеть в современные телескопы. В таком случае, по мнению Ричарда Эллиса, «большинство согласится с тем. что галактики могли внести основной вклад в реионизацию Вселенной.

«Хаббл» еще многое может

Говорить о том, как на самом деле выглядели новорожденные галактики и когда они впервые появились, слишком рано. По крайней мере, так утверждает Дэниел Старк: «Видимые нам галактики довольно малы, и выглядят они существенно моложе тех, которые нами хоть как-то изучены». Но они уже включали до 100 млн звезд, и смесь цветов изучаемого ими света (с поправкой на красное смещение) наводит на мысль, что эти звезды в среднем краснее, чем если бы они находились в очень молодой галактике. «Эти объекты. — говорит Старк, — похожи на звезды, которым уже по меньшей мере 100 млн лет. “Хаббл” приблизил нас к черте, где мы можем видеть звезды первого поколения, а перейти эту черту нам позволит космический телескоп “Джеймс Уэбб”.

Впрочем, и «Хаббл- еще не исчерпал все свои возможности. Сам телескоп способен различать объекты, не прибегая к запредельно длительной экспозиции, только в рамках, ограниченных яркостью объектов. Но у Вселенной есть собственные линзы, которые могут повысить чувствительность «Хаббла». Эти так называемые гравитационные линзы формируются с помощью массивных космических тел или систем тел (в данном случае это скопление галактик), которые искривляют своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения, тем самым искажая, а иногда увеличивая объекты, расположенные далеко за ними.

Таким образом, по мнению Марка Постмана из Научного института космического телескопа, «мы можем получить сильно увеличенное изображение любых очень удаленных галактик, лежащих за этими скоплениями. Они могут выглядеть в десять или даже 20 раз ярче, чем аналогичные им. но не линзированиые объекты». Постман возглавляет международный проект Cluster Leasing And Supernova Survey with Hubble (CLASH), задача которого— поиски объектов в ранней Вселенной с применением телескопа «Хаббл» и использованием эффекта гравитационного линзирования. Участникам проекта уже удалось обнаружить около 250 галактик с красным смещением в пределах от б до 8 и еще несколько, у которых этот показатель, возможно, достигает 11. Изображения, полученные таким образом из далеких глубин космоса, не противоречат данным наблюдения областей глубокого обзора.

Теперь «Хаббл» собирается заглянуть еще глубже: на этот раз Маунтин выделил часть своего «резервного времени директора» на новую программу Frontier Fields, в ходе которой астрономы будут получать увеличенные изображения далеких тусклых галактик, лежащих за шестью особенно массивными и крупными скоплениями. «В течение трех ближайших лет, — говорит Дженнифер Лоц (Jennifer Lotz), ведущий специалист этой программы, — мы намерены наблюдать за каждой из них в течение примерно 140 оборотов “Хаббла” вокруг Земли (каждый такой оборот занимает примерно 45 минут); это позволит заглянуть в глубины Вселенной дальше, чем когда-либо».

Таинственные всплески

Еще лучшими «маяками» в исследовании ранней Вселенной могут стать открытые в 1960-х гг. гамма-всплески — короткие выбросы высокочастотного излучения, возникающие без всякой закономерности и распространяющиеся в непредсказуемых направлениях. Поначалу они были для астрофизиков абсолютной загадкой. Сегодня полагают, что многие из них связаны с гибелью очень массивных звезд: когда звезда коллапсирует с образованием черной дыры, из нее вырываются струи гамма-излучения. Врезаясь в окружающие газовые облака, они индуцируют яркое послесвечение в видимом и инфракрасном диапазонах, которое можно наблюдать с помощью обычного телескопа.

Охота за всплесками ведется следующим образом: когда орбитальная обсерватория «Свифт» регистрирует такой всплеск, она поворачивается, направляя бортовые телескопы в эту точку, и одновременно передает ее координаты на наземные обсерватории. Если их телескопы успевают сфокусироваться на вспышке до того, как она погаснет, можно измерить красное смещение послесвечения, а значит — красное смещение и возраст галактики, где произошел всплеск.

Особая ценность этого метода связана с тем, что гамма-всплески затмевают другие космические объекты. «По-видимому, в течение первых нескольких часов. — говорит Эдо Бергер (Edo Bergerj. астрофизик из Гарвардского университета, специалист по гамма-всплескам, — они светят в миллион раз ярче галактик и от десяти до ста раз ярче, чем квазары». Чтобы увидеть их с помощью «Хаббла» не нужна длительная экспозиция. В 2009 г. телескоп, установленный на горе Мауна-Кеа, достоверно измерил красное смещение одного из всплесков, и он оказался равным 8.2. что соответствует 600 млн лет после Большого взрыва.

«Вспышка была настолько яркой, — говорит Бергер, — что ее красное смещение на самом деле могло составлять 15 и даже 20 что соответствует менее 200 млн лет после Большого взрыва и близко ко времени появлению самых первых звезд. И вполне вероятно, что именно эти очень массивные звезды, умирая, порождали гамма-всплески». По мнению Бергера, есть веские основания полагать, что звезды первого поколения действительно создавали выбросы энергии взрывного характера и потому светили ярче других космических объектов, расположенных на одном с ними удалении и даже ближе.

В отличие от квазаров, которые встречаются только в галактиках с супермассивными черными дырами, и в отличие от галактик, которые может видеть «Хаббл», самых ярких среди огромного множества себе подобных, гамма-всплески одинаково мощны независимо от того, находятся ли они в крошечных или в массивных галактиках. Можно сказать, что они представляют собой самые впечатляющие явления во все времена существования Вселенной.

«99% гамма-всплесков направлены в сторону от Земли, — заключает Бергер, — а среди оставшегося 1% лишь незначительная часть зафиксированных приборами имеет высокий показатель красного смещения. Поэтому на сбор репрезентативного объема данных о гамма-всплесках с очень большим красным смещением потребуется не менее десяти лет и, возможно, “Свифт” — не последний аппарат, который будет участвовать в этом долгом изыскании». В идеале следовало бы запустить спутник-преемник, который постоянно направлял бы координаты гамма-всплесков телескопу «Джеймс Уэбб» или трем 30-метровым наземным телескопам, чей ввод в строй планируется в следующем десятилетии. Пока подобный план не получил поддержки ни со стороны NASA, ни со стороны Европейского космического агентства.

Поскольку -Джеймс Уэбб» и следующее поколение гигантских телескопов наземного базирования начинают вести наблюдения, охотники за квазарами, исследователи галактик и те. кто занимается поисками источников послесвечения гамма-всплесков на других длинах волн, в любом случае смогут составить каталог гораздо более старых и тусклых космических объектов, чем это возможно сейчас. Их деятельность поможет закрепить уже достигнутые успехи в изучении процессов, происходящих на самых ранних этапах формирования Вселенной.

Тем временем радиоастрономы будут использовать все возможности таких приборов, как радиотелескоп «Широкопольная решетка Мерчисона» (Murchison Widefield Array, MWA) в Австралии, радиотелескоп «Прецизионная решетка для исследования эпохи реионизации» (Precision Array for Probing the Epoch of Reionization. PAPER) в Южной Африке, радиоинтерферометр «Антенная решетка площадью в квадратный километр» (Square Kilometre Array, SKA), антенны которого размещены в обеих этих странах, и радиоинтерферометр «Низкочастотная антенная решетка» (Low Frequency Array, LOFAR) с антеннами в нескольких европейских странах, для картирования медленно исчезающих облаков нейтрального водорода периода первого миллиарда лет истории космоса.

Водород сам испускает радиоволны, поэтому в принципе за этими излучениями можно наблюдать в различные эпохи— каждое со своим красным смещением в зависимости от того, как давно оно происходило, — и делать мгновенные снимки распределения водорода по мере того, как со временем его «съедало» высокоэнергетическое излучение. И, наконец, в распоряжении астрономов будет «Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка» (Atacama Large Millimeter/’submillimeter Array, ALMA), расположенная в высокогорной пустыне в Чили и предназначенная для изучения процессов, протекавших на протяжении первых сотен миллионов лет после Большого взрыва, когда формировалось первое поколение звезд. С ее помощью можно будет проводить поиски молекул моноксида углерода и других веществ, которые «маркируют» межзвездные облака, где появились звезды второго поколения.

Когда космологи впервые зарегистрировали реликтовое электромагнитное излучение — отголосок Большого взрыва (произошло это в 1965 г.). они стали предпринимать попытки разобраться в истории Вселенной от момента ее рождения до нынешних времен. Пока им не удалось заглянуть так далеко. Но есть серьезные основания полагать, что в 2025 г.. к 60-й годовщине начала этих исследований, последние оставшиеся белые пятна в истории Вселенной исчезнут.