Первые галактики были самоубийцами

Первые галактики, образовавшиеся на заре существования этого мира, были не очень большими - по массе приблизительно в 10 тысяч раз уступали нынешнему Млечному пути. Миллиарды лет назад они исправно "выпекали" очень горячие и массивные звезды, появлявшиеся в ходе фрагментации и коллапса первородных водородных облаков. В ходе этих процессов те древнейшие галактики ковали себе же погибель, поскольку яркие гигантские звезды "выжигали" все окружающее их космическое пространство мощной ультрафиолетовой радиацией. Согласно теории, предложенной лет десять назад, эта радиация препятствовала дальнейшему формированию звезд в карликовых галактиках, поскольку способствовала ионизации и нагреву окружающего водородного газа (по иронии судьбы, для образования протозвезд нужен именно холодный неионизированный газ).

Теперь астрономы Стюарт Уайз (Stuart Wyithe) из австралийского Мельбурнского университета (University of Melbourne) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) из американского Гарвард-Смитсонианского астрофизического центра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics - CfA, Кембридж) смогли представить первые прямые свидетельства в поддержку этой теории. Они показали, что миллиарды лет назад во Вселенной присутствовало считанное число относительно крупных галактик, а вовсе не большое количество совсем маленьких - карликовых. Процессы формирования подобных допотопных галактик смогли, по существу, "самоотключиться" спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Об этом исследовании сообщается в очередном выпуске журнала Nature от 18 мая 2006 года (vol 441, p 322).

"Первые карликовые галактики срывали свое собственное "взросление", и поэтому все они в те времена имели примерно одинаковые размеры, - поясняет Лёб. - Теоретически мы такое и ожидали увидеть, но теперь наконец смогли получить первое наблюдательное свидетельство столь самоубийственного поведения ранних галактик".

Во время этого раннего периода своей истории Вселенная была почти вся сплошь "затянута туманом" из атомов водорода и гелия. Даже яркое ультрафиолетовое излучение самых первых звезд в новорожденных галактиках не могло пробиться через эту всепоглощающую завесу из газа, что дало астрономам повод назвать эту космическую эру "темными веками" ("Dark Ages"). Только по прошествии сотен миллионов лет первородные звезды смогли постепенно разогреть и ионизировать окружающий газ, преобразовав непроницаемый океан космоса в современное прозрачное космическое пространство. Те же Стюарт Уайз и Абрахам Лёб в свое время показали, что космические "темные века" продолжались в течение не менее миллиарда лет (то есть период частичной переионизации тянулся достаточно долго, и Вселенная тогда была большей частью нейтральной). "Эпохой переионизации" ("epoch of reionization") этот миллиард лет называется потому, что на самой заре рождения нашего мира уже было время, когда всю Вселенную заполняла раскаленная материя, состоящая из разрозненных электронов и ионов водорода и гелия, затем "слипшихся" в нейтральные атомы.

Самые первые поколения звезд нисколько не походили на наше Солнце. Они были раскаленными добела, массивными (раз в двести массивнее Солнца) и весьма недолговечными. Сгорая в течение всего лишь нескольких миллионов лет, они под конец своей жизни взрывались сверхновыми. Однако те самые первые звезды кроме всего прочего начали и важнейшие процессы по "заселению" нашей Вселенной жизнью, рассеивая жизненно важные элементы, подобные углероду и кислороду, которые и послужили затем строительными "кирпичиками" для планет. Впрочем, низкая распространенность ключевых элементов не допускала формирования планет земного типа даже у последующих звездных поколений, среди которых уже попадались и небольшие, похожие на Солнце звезды. Только когда эти следующие генерации звезд развились, погибли и обогатили межзвездную среду тяжелыми элементами, сделалось возможным рождение планет и жизни на них.

В течение той первой, "ключевой" эпохи в развитии звездной вселенной газ не только ионизировался, но и разогревался. Но тогда как холодные газовые облака без проблем испытывают коллапс (сжимаются), формируя звезды и галактики, горячий газ так запросто сжиматься отказывается. И чем горячее газ, тем большей массой должна обладать галактика для того, чтобы сконцентрировать в себе достаточное количество материи для производства новых звезд - тем сложнее ей расти. Перед эпохой переионизации легко могли образовываться галактики, содержащие всего лишь 100 миллионов солнечных масс, а вот после окончания этой эпохи для подтверждения своего "галактического статуса" уже требовался "немалый капиталец" - как минимум 10 миллиардов солнечных масс.

Чтобы оценить типичные массы галактик того времени, Уайз и Лёб исследовали свет от квазаров - мощнейших источников излучения (в том числе и оптического диапазона), видимых на самых дальних дистанциях (согласно современным теориям, в центре каждого квазара находится сверхмассивная черная дыра, интенсивно поглощающая материю из окружающего пространства). Свет от самых далеких известных нам квазаров излучен почти 13 миллиардов лет назад, тогда, когда Вселенной не исполнилось еще и первого миллиарда лет. Этот свет частично поглощен облаками из нейтрального водорода, связанных с ранними галактиками, и таким образом в спектре квазаров можно отыскать их "подписи". Сравнивая спектры различных квазаров, Уайз и Лёб смогли оценить типичные размеры галактик в юной Вселенной.

Чтобы стал понятен общий смысл их работы, Уайз предлагает следующую аналогию: "Представьте, что вы находитесь в темной комнате, заполненной галдящими людьми. Если помещение не забито народом битком, то фоновый шум будет где-то громче, а где-то - тише. Однако если комната переполнена, то уровень фонового шума нигде не будет снижаться. Тот факт, что мы зарегистрировали колебания в свете от квазаров, подразумевает, что ранняя Вселенная все-таки больше походила на малонаселенную комнату, чем на переполненную".

В дальнейшем астрономы надеются подтвердить реальность механизмов подавления формирования карликовых галактик с помощью следующего поколения телескопов - крупнейших радиотелескопов, которые смогут выявить присутствие далеких водородных облаков, и инфракрасных телескопов, которые смогут непосредственным образом отображать молодые галактики. В течение ближайшего десятилетия исследователи, использующие эти новые приборы, раскроют многие тайны Вселенной "темных веков".

Источники:

When Dwarfs Gave Way to Giants - Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics - Press Release

Dwarf Galaxy Formation Was Suppressed By Cosmic Reionization - arXiv.org - astro-ph

The End of Small Galaxies - Space.com

The short reign of dwarf galaxies - New Scientist

Cosmic Dark Ages Lasted For More Than A Billion Years - Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics - Press Release