Древнее скопление галактик XLSSC 122 оказалось неожиданно старым

Рис. 1. Вверху — схема эволюции Вселенной. Сначала все пространство было заполнено чрезвычайно горячей плазмой — «супом» из свободных протонов, электронов и ионизирующего излучения высокой энергии (cosmic soup), затем наступили Темные века (dark ages), после которых стали появляться первые звезды, галактики и их скопления. Одним из них было XLSSC 122, которое мы видим таким, каким оно было в тот момент, когда возраст Вселенной составлял 3,3 млрд лет (левая врезка). Для сравнения внизу справа показано относительно близкое скопление Волос Вероники (до него примерно 330 млн св. лет), — оно вполне может быть похоже на то, чем XLSSC 122 стало за 10 миллиардов лет своей эволюции. Изображение из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Вопросы эволюции галактик, появления звезд и планет неизбежно приводят нас к размышлениям о самых первых объектах во Вселенной: какими они были, когда появились и отличались ли от того, что мы видим вокруг нас? Несколько лет назад было обнаружено очень далекое скопление галактик XLSSC 122, которое мы видим таким, каким оно было, когда Вселенной было 3,3 млрд лет. Тщательное исследование этого скопления показало, что вспышка звездообразования сразу во многих из составляющих его галактик была настолько рано по меркам жизни Вселенной, насколько это позволяют физические законы, а видим мы эти галактики уже сильно постаревшими — новые звезды в них не образуются. Пока что нет внятных объяснений такой синхронности, но эта находка из разряда «галактической археологии» несомненно будет исследоваться при помощи новых телескопов и ее загадка рано или поздно будет разгадана.

Несмотря на то, что в общих чертах эволюция ранней Вселенной понятна астрономам и хорошо описывается моделью лямбда-CDM, многие отдельные детали происходившего в те далекие времена еще неизвестны. Большой взрыв в начале всего сущего, скоротечная эпоха инфляции, происходившей, когда Вселенной было всего 10⁻³⁶–10⁻³³ секунд от роду, реликтовое излучение, появившееся 380 тысяч лет спустя, Темные века, занявшие следующий миллиард лет и закончившиеся эпохой реионизации, — многие данные подтверждают, что эти гипотетические эпохи на самом деле были в процессе эволюции ранней Вселенной. Разные модели дают точное значение температуры, плотности и химического состава Вселенной почти в любой момент ее ранней истории, когда она была практически однородна — без звезд, галактик или их скоплений, а просто заполнена расширяющимся газом.

Как ни удивительно, про следующий этап эволюции Вселенной, когда первые неоднородности плотности первичного вещества стали собираться в звезды и галактики, мы знаем (как на уровне фактов, так и на и уровне уверенности в отдельных гипотезах и результатах моделирования) гораздо меньше. Во-первых, вместо одного объекта (пусть и размером со Вселенную) надо моделировать множество независимых систем (что очень сильно увеличивает вычислительную сложность моделей), а во-вторых, они от нас очень далеки (то есть чрезвычайно тусклы, см. D. P. Stark, 2016. Galaxies in the First Billion Years After the Big Bang) и их спектры сильно смещены в красную сторону, поэтому большинство из них для нас невидимы (значит, вероятность увидеть настолько далекие объекты даже в самый крупный телескоп мала).

Следующий этап жизни ранней Вселенной — когда уже появились галактики — тоже припас много загадок: очень много — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик образуются слишком быстро (см.: Сверхмассивные черные дыры могли образоваться из-за ускоренного поглощения массы при слиянии галактик в ранней Вселенной, «Элементы», 17.09.2013), химический состав некоторых звезд (см.: HD 140283) указывает на то, что они сформировались очень быстро после Большого взрыва, или даже что их возраст превышает возраст Вселенной (H. E. Bond et al., 2013. HD 140283: A Star in the Solar Neighborhood that Formed Shortly After the Big Bang), даже постоянная Хаббла, измеренная по реликтовому излучению, существенно отличается от величины, измеренной по наблюдениям сверхновых (и вручение в 2011 году Нобелевской премии за открытие ускоренного расширения Вселенной именно по изучению таких сверхновых не означает окончательного закрытия вопроса; подробнее читайте в статье Олега Верходанова Есть ли проблемы с согласованием скорости расширения Вселенной?).

Еще одна из таких загадок — формирование самых первых скоплений галактик. Понять, как подобные структуры появились, эволюционировали и какими они должны выглядеть в наше время — хорошая и важная задача современной астрономии. Об этом и пойдет речь дальше.

Скопления галактик — это самые большие гравитационно связанные объекты во Вселенной, характерные размеры которых — 10–30 млн световых лет. Галактики, а в скоплении их могут быть сотни или даже тысячи, удерживаются вместе гравитацией, создаваемой как ими самими, так и темной материей, которая распределена по скоплению. Скопления, даже если они являются частью сверхскопления, постепенно разлетаются друг от друга, потому что на таких масштабах гравитация уже не может преодолеть влияние темной энергии.

Помочь разобраться с загадкой формирования первых скоплений галактик может скопление XLSSC 122 (рис. 1). Оно было обнаружено в 2013 году командой ученых под руководством канадского астрофизика Джона Уиллиса (Jon Willis), работавших с данными телескопа XMM-Newton, как слабое рентгеновское излучение неизвестного протяженного объекта. Подобное излучение может идти, например, от активных ядер галактик, поэтому потребовались дополнительные наблюдения различных телескопов для отождествления этого нового объекта с оптическими источниками.

Оптические и ИК-наблюдения на телескопе CFHT и космической обсерватории «Спитцер» позволили установить, что на месте этого объекта удается зарегистрировать несколько десятков галактик, часть из которых предположительно имеет очень большое красное смещение. При наблюдении на миллиметровом радиотелескопе CARMA был зарегистрирован эффект Сюняева — Зельдовича, который является надежным способом открытия новых скоплений галактик. Наконец, специальный продолжительный сеанс наблюдений на уже упоминавшемся рентгеновском телескопе XMM-Newton позволил получить спектр ряда принадлежащих скоплению галактик и межгалактического газа — источника того самого слабого рентгеновского излучения. Этот газ, нагретый до 60 миллионов градусов, заперт в гравитационном поле скопления, но не принадлежит ни одной галактике. Важно, что он сильно обогащен металлами (напомним, что для астрономов металлы — это все элементы тяжелее водорода и гелия, то есть те, которые образуются в результате ядерного синтеза в недрах звезд). Это дает косвенную оценку возраста скопления: требуются как минимум сотни миллионов лет, чтобы остатки сверхновых звезд были выметены за пределы своих галактик и «загрязнили» межгалактическое пространство.

Собрав все эти данные воедино, ученые увидели, что перед ними уникальный объект, — очень далекое (а значит, и древнее) скопление с богатой историей круговорота элементов, напрямую указывающей на то, что галактики, входящие в скопление, уже немолодые и потому, возможно, появились в первый миллиард лет после Большого взрыва.

Подобное скопление просто не может не побудить астрономов на более детальное изучение. Так и произошло: сразу после Нового Года в журнале Nature вышла посвященная XLSSC 122 статья за подписью Джона Уиллиса и его новой команды. Они использовали широкоугольную камеру телескопа «Хаббл» в попытке определить возраст и массу звезд в галактиках этого скопления. Для наблюдений использовались широкополосные фильтры F105W и F140W, которые работают в ближнем ИК-диапазоне, а также гризма G141 (рис. 2).

Рис. 2. Гризма (справа) в отличие от призмы (слева) не смещает разложенный в спектр луч света с оптической оси — свет будет все так же перпендикулярен поверхности матрицы, как и если бы гризмы не было. Это позволяет использовать одну и ту же камеру, установленную на телескопе «Хаббл», и для фотометрических, и для спектроскопических наблюдений. Изображения с сайтов cnet.com и wasatchphotonics.com

Гризма — это призма, совмещенная с дифракционной решеткой. Вместе они раскладывают свет в спектр, не смещая его в сторону (то есть не уводя с оптической оси), а центрируя относительно выбранной частоты. Гризма обычно дает несколько худшее разрешение по сравнению с полноценными спектрографами, однако позволяет получать разложение в спектр, не меняя камеры прибора, и к тому же одновременно для нескольких объектов (точнее — для всех, которые попадают в поле зрения прибора). Гризма G141, установленная на «Хаббле», позволяет получить спектр в ближнем ИК-диапазоне (длина волны около 1,5 микрон), что из-за расширения Вселенной соответствует оптическому излучению скопления на красном смещении z = 2 (то есть Вселенной на момент испускания этого излучения было около 3,3 миллиардов лет).

Данные, полученные с помощью G141 показали, что не все галактики из области вокруг источника рентгеновского излучения принадлежат скоплению XLSSC 122. Точнее, оказалось, что из нескольких сотен галактик, расположенных в квадрате со стороной 2 угловые минуты, содержащем это скопление, лишь около 60 достаточно ярки, чтобы можно было получить их спектры. Из них 37 имеют красное смещение около z = 1,98 и одновременно они располагаются ближе всего к месту, откуда приходит максимум рентгеновского излучения (рис. 3). Это и позволило отнести их к скоплению XLSSC 122. Еще 13 галактик относятся к более близкому к нам образованию на красном смещении z = 1,93. Незначительная разница в красных смещениях не должна смущать: на таком удалении она соответствует расстоянию в 76 мегапарсек, что значительно больше, чем размеры галактического скопления. А значит, эти две структуры гравитационно не связаны друг с другом.

Рис. 3. Изображение скопления XLSSC 122, полученное телескопом «Хаббл». Контурами обозначено рентгеновское излучение, полученное телескопом XMM-Newton. Красным и зеленым выделены галактики с красным смещением z = 1,98, синим — галактики с красным смещением z = 1,93. Обратите внимание на десятки галактик, которые присутствуют на снимке, но для которых неизвестно красное смещение: они могут как принадлежать скоплению, так и быть расположенными на одной с ним линии при этом будучи никак с ним не связанными. Числами указаны координаты на небосводе. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Установив расстояние до галактик и их принадлежность скоплению, команда Уиллиса смогла также измерить их цвет. Цвет для астрономов — это разница звездных величин одного объекта, полученных при его наблюдении в двух фильтрах (см. Показатель цвета). Вычитая звездную величину более голубого фильтра из звездной величины более красного фильтра, можно получить какое-то число. Большие значения соответствуют более красным объектам, меньшие — более голубым. Физически это означает, что у красных галактик мало голубых массивных короткоживущих звезд и много старых небольших и не очень горячих красных звезд, а это — явное указание на значительный возраст таких галактик.

Логично предположить, что чем дальше мы забираемся по лестнице красных смещений, тем более голубыми должны быть галактики: Вселенная еще так молода, откуда в ней взяться старым галактикам? И тут мы подбираемся к главной особенности скопления XLSSC 122: распределение галактик по цветам показывает, что чуть ли не 2/3 из них — матерые, хорошо проэволюционировавшие галактики, в которых нет и уже давно не было активного звездообразования (рис. 4).

Рис. 4. Диаграмма «цвет—светимость» для всех галактик, попавших в поле зрения «Хаббла» в районе скопления XLSSC 122. Чем галактика ярче, тем она ближе к левому краю диаграммы, чем краснее — тем ближе к верхнему. Горизонтальная штрихпунктирная линия показывает условное разделение на «красные» пассивные галактики (они лежат выше этой линии) и «голубые» галактики со звездообразованием (ниже линии). Вертикальные пунктирные линии примерно показывают пределы для спектроскопических измерений — галактики правее них слишком тусклы для отождествления спектральных линий. Как и на рис. 3, красным и зеленым выделены галактики с красным смещением z = 1,98, синим — галактики с красным смещением z = 1,93. Обратите внимание, как много галактик из обоих скоплений находятся выше горизонтальной штрихпунктирной линии. Это означает, что спустя всего 3,3 миллиарда лет после Большого взрыва в них уже остались только старые тусклые звезды. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Давайте считать. Спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно и в ней появились нейтральные атомы водорода и гелия (а заодно — и реликтовое излучение). Но этим атомам потребовалось еще очень много времени, чтобы под воздействием гравитации они собрались в газовые коконы, в которых возникли первые звезды, — существующие модели утверждают, что на это ушло еще 200–300 миллионов лет. Поиск этих первых звезд — одна их самых интригующих задач астрономии на следующее десятилетие и одновременно — одна из главных целей телескопа имени Джеймса Уэбба, который планируется к запуску в 2021 году.

И тут выясняется, что скопление XLSSC 122 удалено от нас на 10,4 миллиарда световых лет, то есть сейчас мы видим скопление таким, каким оно было, когда возраст Вселенной составлял всего 3,3 миллиарда лет, причем в нем уже есть очень старые (под три миллиарда лет!) звезды. Но насколько же они старые? Может, в этих галактиках и находятся те самые первые звезды? Как такие гигантские структуры образовались так быстро, и во что они превратились спустя 10 миллиардов лет? Видим ли мы что-то подобное вокруг нас? Вот вопросы, на которые попытались ответить авторы обсуждаемой статьи.

Используя численные методы моделирования звездной эволюции в галактиках со временем (см.: С. Б. Попов, М. Е. Прохоров, 2007. Популяционный синтез в астрофизике), астрономы попытались определить средний возраст всех звезд скопления, исходя из цвета каждой галактики. Правило, применяемое для любого моделирования, гласит, что результаты не могут быть лучше входных данных. А, надо отметить, фотометрия всего в двух фильтрах — это довольно скудные данные. Однако, это лучшее, что пока есть на руках у человечества, и ученые смогли построить апостериорные распределения возрастов звездного населения галактик в скоплении для трех возможных значений межзвездного поглощения. Если принять межзвездное поглощение примерно равным тому, что мы наблюдаем в современной нам Вселенной, то результаты статьи не кажутся такими уж сенсационными: пик звездообразования в скоплении XLSSC 122 пришелся на миллиард лет после Большого взрыва, когда существование галактик уже не было чем-то экстраординарным, а красный цвет галактик вполне может объясняться всего лишь поглощением ультрафиолетовой части излучения пылью (то есть даже в красных на вид галактиках могут находиться не только старые звезды, но и очень даже молодые, просто свет от них до нас не доходит).

С другой стороны, если принять во внимание, что пыли в ранней Вселенной не должно быть много и вряд ли она так одинаково повлияла на цвет всех красных галактик, то складывается совсем другая картина: звезды во всех (разных!) галактиках скопления имеют примерно один и тот же возраст — 3 миллиарда лет. Это следует из того, что галактики в такой ранней Вселенной должны быть примерно одинакового размера, а их похожие цвета (см. рис. 4) указывают на то, что и звездное население у них должно быть более-менее одинаковым. Следовательно, звезды в них начали формироваться в одно и то же время на красном смещении z = 12 — спустя всего лишь 370 миллионов лет после Большого взрыва. Это делает скопление XLSSC 122 одним из самых ранних известных очагов звездообразования во Вселенной! Астрономам известны более старые звезды, астрономы видят более далекие галактики, однако обычно в этих галактиках идет активное звездообразование, то есть присутствуют как новые, так и старые звезды. При такой смеси всех возрастов определить время появления самых старых светил невозможно. Однако в случае XLSSC 122 ключевым является то, что в 21 принадлежащей ему галактике нет новых звезд, а значит установить время появления самых первых намного проще.

Рис. 5. Распределение возрастов звезд во всех «красных» галактиках скопления XLSSC 122. Пунктирные гистограммы дают более широкое распределение и говорят о меньшем возрасте звезд — они были посчитаны с учетом возможного присутствия пыли. Сплошная гистограмма, соответствующая моделированию без учета пыли, указывает на максимально старый возраст звезд (между пиком звездообразования и Большим взрывом, обозначенным вертикальной линией, пришло чуть больше 300 миллионов лет), а высота и узость пика явно свидетельствует об одновременной вспышке формирования звезд во всех исследованных галактиках. График из обсуждаемой статьи в Nature

Поразителен не только факт такого раннего звездообразования, — что звезды появились, как только Вселенная в принципе стала пригодной для их образования, — но и то, что оно началось у столь многих галактик одновременно, причем тогда, когда самого скопления либо еще не существовало, либо оно только формировалось. Соответственно, галактики, сформировавшие XLSSC 122, и сами появившиеся в разных не связанных друг с другом областях ранней Вселенной, могли иметь различные начальные условия и неодинаковые физические характеристики, однако у них всех вспышка звездообразования (очень мощная!) началась одновременно. Наших знаний сейчас хватает на то, чтобы установить этот факт, но объяснить его мы пока не можем.

Историю именно этого скопления трудно выяснить лучше существующими телескопами, надо ждать «Джеймса Уэбба». Однако изучать эволюцию скоплений можно и другим методом — пытаясь найти предков и потомков XLSSC 122. Выстроив цепочку из нескольких скоплений, которые обладают схожими характеристиками, но которые астрономы наблюдают на разных красных смещениях, можно предположить, каким мог быть общий эволюционный путь, по которому следуют скопления за время жизни Вселенной. В случае с XLSSC 122 предком можно назвать массивное протоскопление SPT2349-56, обнаруженное на красном смещении 4,3 (Вселенной на тот момент было ~1,4 млрд лет, см. T. B. Miller et al., 2018. A massive core for a cluster of galaxies at a redshift of 4.3). Компьютерные симуляции, рассчитывающие эволюцию во времени массивных структур вроде XLSSC 122, указывают на то, что его масса может составлять около квадриллиона (10 в 15 степени) масс Солнца, что делает ее похожей на скопление Волос Вероники, в которое сейчас входит около 1000 галактик.

Несмотря на то, что изучение древнего скопления галактик XLSSC 122 далеко от завершения, подобные открытия «галактической археологии» позволяют нам приблизиться к построению стройной картины рождения, формирования и эволюции самых больших гравитационно связанных структур во Вселенной — скоплений галактик.

Источник: J. P. Willis, R. E. A. Canning, E. S. Noordeh, S. W. Allen, A. L. King, A. Mantz, R. G. Morris, S. A. Stanford & G. Brammer. Spectroscopic confirmation of a mature galaxy cluster at a redshift of 2 // Nature. 2020. DOI: 10.1038/s41586-019-1829-4.

Марат Мусин