Նորածին Տիեզերքի առաջին վկաները

PanARMENIAN.Net - Գալակտիկան բավարար ծանր է ու դրանում ընթացել են աստղառաջացման ակտիվ պրոցեսներ, որոնք սկսվել են Մեծ պայթյունից մոտ 120-220 մլն տարի անց։ Դա հարցականի տակ է դնում գալակտիկաների առաջացման մի շարք պոպուլյար գիտական մոդելներ:

Հարցի արժեքը

Ժամանակակից արտագալակտիկական աստղագիտության ու տիեզերագիտության գլխավոր խնդիրներից մեկն այն է, թե երբ ու ինչպես են ձևավորվել առաջին գալակտիկաները։ Վերջին տասնամյակում աստղագետները զգալի առաջընթաց են գրանցել գալակտիկաների էվոլյուցիայի ուսումնասիրության գործում՝ հայտնաբերելով գալակտիկաներ, որոնց տիեզերագիտական կարմիր շեղումը՝ z-ը, հասնում է 11-ի։

Տիեզերագիտական կարմիր շեղում – հեռավոր օբյեկտների՝ գալակտիկաների, քվազարների ճառագայթման հաճախականության նվազում դիտորդի նկատմամբ՝ կապված Տիեզերքի ընդլայնման հետ: Կարմիր շեղումը աստղաֆիզիկական երևույթ է, երբ դիտորդի նկատմամբ հեռացող օբյեկտի ճառագայթման ալիքների երկարությունը մեծանում է այդ օբյեկտի կողմից ճառագայթվող ալիքների երկարության նկատմամբ: Երևույթը նման է Դոպլերի էֆեկտին. անշարժ դիտորդին մոտեցող շտապօգնության ավտոմեքենայի ազդանշանի ձայնը ուժեղանում է, հեռանալիս՝ թուլանում, քանի որ մոտեցող ավտոմեքենայի արձակած ձայնային ալիքների հաճախականությունը դիտորդի նկատմամբ մեծանում է (ալիքների երկարությունը փոքրանում է), իսկ հեռացող ավտոմեքենայինը՝ փոքրանում (ալիքների երկարությունը մեծանում է): Նույնը ընդլայնվող Տիեզերքի պարագայում դիտորդից հեռացող գալակտիկաների դեպքում է. որքան հեռու է գալակտիկան, այնքան արագ է այն հեռանում դիտորդից, այնքան երկար են նրա ճառագայթած ալիքները դիտորդի նկատմամբ, այսինքն՝ սպեկտրի կարմիր կողմում են: Այստեղից էլ «կարմիր շեղում» անվանումն է. այն թույլ է տալիս պարզել գալակտիկայի հեռավորությունը դիտորդի նկատմամբ, հետևաբար՝ նաև այն, թե Տիեզերքի գոյության որ փուլում է գալակտիկան ճառագայթել: Որքան մեծ է կարմիր շեղումը (z), այնքան հեռու է գալակտիկան:

Աղբյուրի սպեկտրի տեսքը կարմիր շեղման բացակայության պարագայում (ձախ) ու նույն աղբյուրի սպեկտրը կարմիր շեղման առկայությամբ (աջից)

Շատ հեռու գտնվող գալակտիկաների ուսումնասիրությունը անհրաժեշտ է գալակտիկաների ձևավորման ու էվոլյուցիայի մոդելները ստուգելու, ինչպես նաև Տեղական Տիեզերքում դրանց առանձնահատկությունները բացատրելու համար: Հայտնի է, որ Տիեզերքը զգալիորեն հարուստ էր գալակտիկաներով z=6-10 կարմիր շեղման արժեքի պարագայում, իսկ ամենահեռավոր գալակտիկաների ներկայիս թեկնածուների կարմիր շեղումը կազմում է մոտ z∼13: Գալակտիկաների էվոլյուցիայի ուսումնասիրության խնդիրներից կարելի է առանձնացնել SFRD (cosmic star-formation rate density) պարամետրը, որը նկարագրում է գալակտիկաներում աստղառաջացման արագությունը: Պարամետրը աճում է ներկա պահից մինչև աստղառաջացման պիկը՝ z∼2–3-ի պայմաններում, ապա՝ կրկին սկսում է նվազել դեպի Տիեզերքի ավելի վաղ դարաշրջաններ շարժվելու հետ մեկտեղ: Կարևոր է ուսումնասիրել, թե ինչպես է փոխվում SFRD-ը z=4–8-ից մինչև կարմիր շեղման ավելի բարձր արժեքներ, քանի որ ներկայիս մոդելները տարբեր եզրակացությունների են հանգում:

GN-z11 օբյեկտի պատկերը՝ վերադրված Մեծ արջի համաստեղության պատկերի վրա

Մինչև վերջերս ամենահեռավոր հայտնի գալակտիկաների հիմնական թեկնածուներն էին սպեկտրոսկոպիկ հաստատված GN-z11-ը, որը գոյություն է ունեցել, երբ Տիեզերքի տարիքը կազմում էր 420 մլն տարի ու սպեկտրոսկոպիկ չհաստատված HD1-ը, որն էլ գոյություն է ունեցել Տիեզերքի՝ 330 մլն տարեկան ժամանակներում, ինչը մոտ է ռեիոնիզացիայի դարաշրջանին։

Ռեիոնիզացիայի դարաշրջան – Տիեզերքի գոյության վաղ դարաշրջաններից մեկը, որը տեղի է ունեցել Մեծ պայթյունից 550 մլն տարուց մինչև 800 մլն տարի ժամանակահատվածում: Ռեիոնիզացիայի դարաշրջանում տեղի է ունեցել ջրածնի նեյտրալ ատոմների իոնիզացիա առաջին աստղերի, գալակտիկաների, քվազարների, գալակտիկական կուտակումների ճառագայթման ազդեցության հետևանքով: Ռեիոնիզացիայի դարաշրջանին հաջորդել է նյութի դարաշրջանը, որում մենք Տիեզերքը գտնվում է մինչև հիմա:

HD1-ը՝ VISTA աստղադիտարանի տվյալներով

Ռեկորդային հեռավոր գալակտիկաների որոնման հարցում մեծ դեր են խաղացել Հաբբլ ու Սպիտցեր տիեզերական աստղադիտակները, սակայն դրանցով անհնար էր գտնել 12-ից ավելի կարմիր շեղմամբ գալակտիկաներ։ Իսկ հիմա, Ջեյմս Ուեբի տիեզերական աստղադիտարանի գիտական ծրագրի մեկնարկն աստղագետներին թույլ է տալիս որոնել ավելի բարձր կարմիր շեղմամբ գալակտիկաներ, իրականացնել դրանց մուլտիպոլ հետազոտություններ՝ օգտագործելով նաև այլ՝ երկրային ու տիեզերական աստղադիտարանների տվյալները։ Ջեյմս Ուեբի դիտարկումները պետք է զգալիորեն ընդլայնեն ու լրացնեն ներկայիս տիեզերագիտական պատկերացումները՝ հայտնաբերելով մինչև z=20 կարմիր շեղմամբ օբյեկտներ։ Բացի այդ, աստղադիտարանը պետք է օգնի աստղագետներին պարզել Տիեզերքի գոյության տարբեր փուլերում գալակտիկաների մորֆոլոգիայի էվոլյուցիան ու աստղառաջացման արագության դինամիկան։

Առաջին երկուսը

Աստղադիտարանն արդեն իսկ հայտնաբերել է z=13-15 ռեկորդային կարմիր շեղմամբ գալակտիկաներ։ Դա խիստ կարևոր է ռեիոնիզացիայի դարաշրջանի սկիզբն ուսումնասիրելու համար, երբ առաջին գալակտիկաների պոպուլյացիան արդեն կարող էր երկրորդային իոնիզացիայի ենթարկել միջաստղային ու միջգալակտիկական միջավայրում եղած ջրածինը։

Այսպես, աստղաֆիզիկայի Հարվարդ-Սմիթսոնյան կենտրոնի աստղագետները հրապարակել էին z=10-ից ավելի կարմիր շեղմամբ վառ աղբյուրների որոնման առաջին արդյունքները՝ դիտարկված Ջեյմս Ուեբի NIRCam գործիքով GLASS ու CEERS ծրագրերի շրջանակներում։ Երկնքի դիտարկվող հատվածների ընդհանուր մակերեսը կազմել էր 49 քառակուսի անկյունային րոպե, դիտարկումների խորությունը տատանվում էր 28.6-ից 29.4 աստղային մեծության սահմաններում ու ընդգրկում ալիքների 1-5 միկրոմետր երկարություն։

GLASS-z13 գալակտիկայի թեկնածուի պատկերը

Երկնքի GLASS դաշտերում որոնումների արդյունքում հայտնաբերվեց ռեկորդային հեռավոր գալակտիկաների երկու թեկնածու. GLASS-z13 օբյեկտի կարմիր շեղման արժեքը կազմում է z=13,1 (գոյություն է ունեցել, երբ Տիեզերքը դեռ 300 մլն տարեկան էր), իսկ GLASS-z11-ինը՝ 10,9։ Աղբյուրների բացարձակ ուլտրամանուշակագույն աստղային մեծության արժեքը կազմում է −21 ու 2.5 աստղային մեծությունով ավելի թույլ է, քան գալակտիկայի HD1 թեկնածուի դեպքում։ Երկու թեկնածուների աստղային զանգվածը կազմում է մոտ 1 մլրդ Արեգակի զանգված, ինչը համեմատելի է GN-z11-ի հետ, երկու օբյեկտների հատկություններն էլ համապատասխանում են z-10-ից ավելի կարմիր շեղմամբ գալակտիկաների սպասվող հատկություններին։ GLASS-z13-ի էֆեկտիվ շառավիղը սպասվում է 1630 լուսատարի, իսկ GLASS z-11-ինը՝ 2300 լուսատարի՝ ենթադրությամբ, որ դրանք ունեն սկավառակաձև կառուցվածք։

Երկու թեկնածու գալակտիկաներն էլ նոր սահմանափակումներ են դնում վաղ Տիեզերքի ժամանակաշրջանում գալակտիկաների էվոլյուցիայի մոդելների վրա։ Դրանք վկայում են, որ գոյություն ունի աստղառաջացման բարձր էֆեկտիվությամբ ուլտրամանուշակագույն աղբյուրների պոպուլյացիա, որոնք կարող են հասնել ավելի քան 1 մլրդ Արեգակի զանգվածի՝ z-10-ից ավելի կարմիր շեղման արժեքի պարագայում։

GL-z11-ը (վերևում) ու GL-z13-ը (ներքևում), պատկերները ստացվել են Ջեյմս Ուեբի աստղադիտարանով

Օսթինում Տեխասյան համալսարանի աստղագետների խումբն էլ իր հերթին հայտարարել էր, որ գտել է հայտնի ամենահեռավոր գալակտիկայի նոր թեկնածու՝ CEERSJ141946.35+525632.8-ը կամ «Մեյսիի գալակտիկան». անունն օբյեկտը ստացել է ի պատիվ աշխատանքի գլխավոր հեղինակի դստեր, ում ծննդյան օրը տեղի էր ունեցել հայտնագործությունը: Օբյեկտը հայտնաբերվել է z=12–15 կարմիր շեղման արժեքով գալակտիկաների որոնման տվյալներում՝ ստացված Ջեյմս Ուեբի աստղադիտարանի NIRCam գործիքով երկնքի դաշտերից մեկի ֆոտոմետրիկ դիտարկմամբ: Կիրառվել էին նաև Հաբբլ աստղադիտակի տվյալները:

«Մեյսիի գալակտիկայի» գունավոր պատկերները. ձախից Հաբբլի ստացած երեք կադրերի միավորմամբ պատկերն է, աջից՝ ուլտրամանուշակագույն դիապազոնում գալակտիկայի մոտավոր, «իրական» գույնը

Հայտնաբերված աղբյուրի ֆոտոմետրիկ կարմիր շեղումը կազմել է z=14,3, ինչը համապատասխանում է գալակտիկայի գոյության ժամանակ Տիեզերքի՝ 286 մլն տարեկան լինելուն: Հինգ տարբեր ֆիլտրերի միջոցով թեկնածուի հայտնաբերման վիճակագրական նշանակալիությունը գնահատվում է ավելի քան 5 սիգմա: Գալակտիկայի էֆեկտիվ շառավիղը գնահատվում է 330±30 պարսեկ, ենթադրվում է, որ այն ունի չափավոր զանգված (մոտ 108.5 Արեգակի զանգված) ու շատ ակտիվորեն աստղեր է առաջացնում: Գալակտիկայի գույնը վկայում է փոշու փոքր պարունակության մասին, սակայն մետաղականությունը չի գնահատվում որպես չափազանց փոքր: Գալակտիկայի տարիքը գոյության պահին գնահատվում է 20 մլն տարի:

Այս հայտնագործությունը գիտնականների համար անսպասելի էր, որովհետև չի համապատասխանում կանխատեսումների մեծ մասին, սակայն համապատասխանում է այն տեսական ենթադրություններին, որոնք կանխատեսում են z>8-ի պարագայում SFRD-ի սահուն նվազում: Եթե հետագա սպեկտրոսկոպիկ դիտարկումները հաստատեն հայտնագործությունն ու հայտնաբերվեն նոր նմանատիպ օբյեկտներ, ապա կպարզվի, որ Տիեզերքում գալակտիկաներ արդեն գոյություն են ունեցել Մեծ պայթյունից 300 մլն տարի հետո: «Մեյսիի գալակտիկայի» գոյությունը պահանջում է աստղային բնակչության էքստրեմալ հատկություններ, օրինակ՝ շատ ցածր մետաղականություն ու իոնիզացված գազի պղպջակում նյութի շատ արագ ակկրեցիա գերհսկա սև խոռոչի:

Էլ ավելի հեռու

Վերոնշյալ երկու օբյեկտները ռեկորդակիր էին ընդամենը մի քանի օր, որովհետև Էդինբուրգի համալսարանի աստղագետների խումբը հայտարարեց ներկայումս հայտնի ամենահեռավոր գալակտիկայում հերթական թեկնածուի հայտնաբերման մասին։ CEERS 93316 օբյեկտը հայտնաբերվել է Ջեյմս Ուեբի NIRCam գործիքով երկնքի խորքային դաշտերի ֆոտոմետրիկ տվյալներում z=8-15 կարմիր շեղմամբ օբյեկտների որոնման ընթացքում, որն իրականացվել է GLASS, CEERS ծրագրերով, ինչպես նաև SMACS0723 գալակտիկական կուտակման, COSMOS դաշտի շրջակայքի դիտարկման ընթացքում՝ UltraVISTA ծրագրով ու Սպիտցեր տիեզերական աստղադիտակով։ Ընդհանուր առմամբ, վերլուծվել է շատ մեծ կարմիր շեղում ունեցող 55 գալակտիկա, որոնցից 44-ը նոր են։

CEERS-93316 թեկնածուի պատկերը

Մասնագետները օգտագործել են Լայմանյան ցատկի մեթոդը, որի էությունն այն է, որ 912 անգստրեմից փոքր ալիքի երկարություն ունեցող ֆոտոնն ամբողջությամբ կլանվելու է գազային ջրածնի կողմից ինչպես դիտարկվող հեռավոր գալակտիկայում, այնպես էլ երկրային դիտորդի ուղղությամբ շարժվող տեսաճառագայթում։ Արդյունքում, գալակտիկայի սպեկտրում առաջանում է բեկվածք, ու օգտագործելով ալիքի տարբեր երկարություններում աշխատող ֆիլտրեր՝ կարելի է որոնել տարբեր կարմիր շեղմամբ գալակտիկաներ։

CEERS 93316 օբյեկտի ֆոտոմետրիկ կարմիր շեղումը կազմում է z=16,6±0,1, ինչը համապատասխանում է գալակտիկայի գոյությանն այն ժամանակ, երբ Տիեզերքը մոտ 250 մլն տարեկան էր։ Սա անսովոր արդյունք է, այդ իսկ պատճառով հետազոտողներն ուսումնասիրել են նաև այն հավանականությունը, որ կարմիր շեղման արժեքը կարող է սխալ հաշվարկված լինել, կամ էլ, որ օբյեկտն իրականում աստղ է, ակտիվ գալակտիկական միջուկ և այլն։ Սակայն լավագույն բացատրությունը մնում է այն, որ CEERS 93316-ը ռեկորդային կարմիր շեղմամբ գալակտիկա է։

CEERS-93316 օբյեկտի պատկերը, ստացված Ջեյմս Ուեբի կողմից տարբեր ֆիլտրերով

CEERS 93316-ի զանգվածը գնահատվում է 1 մլրդ Արեգակի զանգված, գալակտիկայում աստղառաջացման արագությունը գնահատվել է տարեկան 101,1 Արեգակի զանգված, իսկ պրոցեսը սկսվել է Մեծ պայթյունից 120-220 մլն տարի անց (z=18-26): Գիտնականները չեն գտել ապացույցներ, որ համակարգն ունի անսովոր աստղային բնակչություն, այսինքն՝ որ գերակշռում են III աստղային բնակչությանը պատկանող աստղեր։

III աստղային բնակչություն – հիպոթետիկ աստղեր, որոնք առաջացել են Մեծ պայթյունից անմիջապես հետո: Ենթադրվում է, որ այս աստղային բնակչությունը բաղկացած է եղել շատ ծանր աստղերից, որոնք ունեցել են կյանքի շատ կարճ տևողություն, որոնք չեն ապրել մինչև մեր օրեր:

Այդուհանդերձ, առայժմ հայտնաբերված օբյեկտները գալակտիկաների թեկնածուներ են ու պետք է հաստատվեն Ջեյմս Ուեբի ապագա սպեկտրոսկոպիկ դիտարկումներով։