Самый глубокий взгляд на прошлое Вселенной

Владимир Курт,
Астрокосмический центр ФИАН
«Троицкий вариант» №24(118), 11 декабря 2012 года

12 сентября 2012 года NASA опубликовало фотографию самого глубокого обзора небольшого кусочка неба, выполненного космическим телескопом «Хаббл». Эта фотография — результат почти 10-летних наблюдений большого коллектива астрофизиков, работающих с этим телескопом. Для обзора была выбрана крошечная площадка на небе размером 2,5×2,5 угловой минуты (около 1/10 размера Луны, или 1/100 площади лунного диска, что соответствует 1 мм², рассматриваемому с расстояния 1 м). Область расположена в южном созвездии Печь с малым количеством ярких звезд.

2,6-метровый космический телескоп «Хаббл» при очень длинных экспозициях может достигать проницающей силы, в сотни и тысячи раз лучшей, нежели самые большие наземные телескопы с диаметром зеркала до 10 м. Его высокая разрешающая способность связана с почти полным отсутствием на высоте 600 км атмосферы, искажающей изображения звезд. Кроме того, уровень фона неба для этого телескопа также раз в десять меньше, чем для наземных телескопов.

Credit: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team. Фото с сайта www.nasa.gov

Для получения изображения сверхглубокого обзора складывались почти тысяча цифровых изображений одной и той же области неба, наложенных друг на друга. Для этого использовались два инструмента космического телескопа: широкоугольная камера WFPC3 и инфракрасный комплекс приборов NICMOS. Снимки с камерой видимого диапазона получены в видимой и в ближней инфракрасной области с четырьмя фильтрами, центрированными на длины волн 435, 606, 775 и 850 нм. Первые два фильтра экспонировались на 56 витках орбиты спутника, два вторых — на 144 орбитах. Каждая экспозиция составляла примерно 1200 с, а общее время накопления сигнала составило более миллиона секунд! Первые снимки были получены еще в сентябре 2003 — январе 2004 года, последние же, с инфракрасным комплексом NICMOS, — в августе-сентябре 2009 года.

Во всех снимках отбрасывались отдельные пиксели, испорченные попаданием заряженных частиц космических лучей. Далее вычитался темновой фон ПЗС-матрицы и вводилась поправка за разную чувствительность каждого пикселя (операция fat feld). Вот таким сложным способом и была получена уникальная фотография, приведенная здесь. Ее размер составляет 2345×2039 пикселей, а объем содержащейся в ней информации составляет 2,45 мегабайта (это совсем немного).

Какие же научные результаты были получены из этого самого глубокого на сегодня «прокола» пространства Вселенной? На снимке видны около 10 тысяч галактик и единичные слабые звезды нашей Галактики. Хорошо известно, что число галактик на небе превышает число звезд, начиная с 21–22 звездной величины. На приведенном снимке видны галактики еще на 8–9 величин слабее, т. е. вплоть до 30 звездной величины. Столь слабые галактики в 10¹⁰ раз слабее звезд, видимых невооруженным глазом, и раз в сто слабее галактик, наблюдаемых с Земли крупнейшими телескопами, с диаметром зеркала 6–8 м. Их красное смещение z равно 10–12. До этого самая удаленная галактика наблюдалась на z = 8,6. Величина z равна отношению красного смещения длины волны к несмещенной длине волны. Так, например, ультрафиолетовая линия атомарного водорода L_α (Лайман альфа) с длиной волны 121,6 нм при красном смещении z, равном 10, будет наблюдаться в инфракрасном диапазоне на длине волны 1337,6 нм, или на длине волны 1,34 мкм. Соответственно, красное смещение z определяет и возраст галактики, отсчитываемый от начала расширения Вселенной. Наблюдаемые на представленном снимке самые слабые галактики имеют возраст менее одного миллиарда лет (точнее — от 400 до 800 млн лет), тогда как наша Галактика и ее ближайшие соседи живут уже 13,2 млрд. лет.

Credit: NASA and A. Feild (STScI). Изображение с сайта hubblesite.org

Второй важный вывод состоит в том, что темп звездообразования за первый миллиард лет был очень высоким. Далее, образовывавшиеся тогда галактики в основном были карликами, а наблюдаемые сегодня галактики образовались путем слияния таких карликовых галактик. Эти карликовые галактики в большинстве своем являлись неправильными галактиками, наблюдаемые же сегодня спиральные галактики (типа нашего Млечного Пути и Туманности Андромеды) и гигантские эллиптические галактики образовались гораздо позже.

По современным представлениям об эволюции Вселенной, первые галактики образовались через 700–400 млн лет после начала расширения Вселенной, а первые звезды — еще в два раза раньше. Еще раньше, при z около 100, лежат ненаблюдаемые «темные века» Вселенной. А при z около 1000 наблюдается и детально исследуется «реликтовое» микроволновое излучение. Именно исследование этого излучения и его пространственных флуктуаций и является тем базисом, на котором лежит современная теория образования и эволюции Вселенной.