Адамзат жасаған ең қуатты ғарыш телескопы ғаламның шығу тегін іздейді.
Автор: Джей Беннетт
NASA, ESA, CSA, STSCI ЖИНАҒЫ
Ғалам жаңа пайда болғанда, осыдан 13,5 млрд жыл бұрын, тұңғиықта бірде-бір жұлдыз жоқ еді. Астрономдар бұл кезеңді қараңғылық дәуірі деп атайды. Ғарыш бүкіл әлемнің жаратылуына керек шикізат саналатын сутегі мен гелий газына толы болды. Сондай-ақ қара материя атымен белгілі жұмбақ зат та бар еді. Оның тартылыс күші газды шырмалған тор секілді топтастырды. Ғалам кеңейіп, салқындаған сайын қара материя алып шар секілді бірігіп, газды өзегіне сығымдауға кірісті. Оның сәуле жиегіндегі (астрономдар осылай атайды) гравитациялық қысымның артуы термоядролық реакция туындатып, сутегі атомдары гелийге айналды да, ғаламдағы алғашқы жұлдыз дүниеге келді.
Мен ғаламның пайда болу сәтін 3D көзілдірік арқылы көрдім. Стэнфорд университетінің Кавли атындағы Бөлшек астрофизикасы және ғарыш институтындағы прожектор алдында отырып, қара материяның (экранда сұр түспен көрсетілген) байланысын, ғалам кеңейген сайын өзара тармақталғанын тамашаладым. Жаңа туған жұлдыздардың иірімдері сәуле жиектерін тарамдап, алғашқы галактикаларды құрады. Ғалымдар ғаламның шығу тегін ондаған жылдан бері іздеп келеді. Бірақ былтыр адамзат жасаған ең үлкен әрі ең жетілдірілген ғарыш телескопы оның тарихын қайта жазуға кірісті. Джеймс Уебб ғарыш телескопының (JWST) нысанына ілінген көне галактикалар әлдеқайда жарық, көп әрі күткеннен де белсенді. Осылайша, ғарыш пен уақыт қиссасын қайта қарауға итермеледі.
ESA/WEBB, NASA, CSA, M. ZAMANI (ESA/WEBB), PDRS4ALL ERS ТОБЫ ЖИНАҒЫ
Алайда Уебб алғашқы жұлдыздарды көре алмайды, өйткені жеке-жеке анықтайтындай олар жарық емес. Мұндай ежелгі алпауыттар ыстық шашып, әбден үлкейді. Туғанынан бірнеше млн жыл өткен соң суперноваға айналып, ақырында жарылды. Астрономиялық уақытпен қарасақ, қас қағым ғана сәт. «Бұл жерде жарылысты аздап баяулатуға тура келді. Бәрі сұмдық жылдам болады. Нағыз шынайы нұсқасы әлдеқайда тез өтетін еді», – дейді Том Абель. Ол – есептеуші ғарыштанушы әрі менің симуляциядағы гидім. Осындай жарылыстар, Күннен жүздеген есе ауыр суперновалар ғаламды өзгертті. Жаңа элементтер – суға керек оттегі, планеталарды құрастыруға қажет кремний, жасушаларды қоректендіретін фосфор пайда болып, жан-жаққа шашылды. Алғашқы жұлдыз сол секілді айналасындағы сутегі газының атомдарын да ыдыратты. Ғарыш тұмандықтарын жойып, бәрін көрінетіндей етті. Бұл – қайта иондалу деп аталатын маңызды кезең. Тұман сейілген соң жұлдыздар бірігіп, үлкен-үлкен топтарға жинақталды. Оның ішінде өз галактикамыз – Құс жолы да бар.
NASA, ESA, CSA, AND STSCI ЖИНАҒЫ
Абель алғашқы жұлдыздардың тууын 1990 жылдардан бері модельдеп келеді. Ол кезде тұңғыш астрономиялық объект қандай болғанын, қара құрдым ба, Юпитер секілді планета ма, әлде басқасы ма, ешкім білмейтін. Компьютерлік симуляция арқылы ол әріптестерімен бірге гравитация газдан баяу басым түсіп, біртіндеп ішке сығымдаған жерлерде алғашқы аспан денесі – жұлдыз туғанын анықтауға көмектесті. Бірақ ақырында Абель жұлдыз тууын модельдеуден бас тартты, үйренетін ештеңе жоқ деп ойлады.
Содан кейін Уебб келді. 2021 жылы Рождество күні таңертең көкке самғаған телескоп қазіргі таңда Жерден млн километрден астам қашықта орын тепкен. Оның 6,5 метрлік алтын жалатылған негізгі айнасы 13 млрд-тан астам жыл бойы ғарыштан ұшып келген ежелгі галактикалардың жарықтарын жинайды. Осылайша, галактикалардың көне дәуірдегі бейнесін көрсетеді. Астрономдар Уебб телескопы арқылы жаңа пайда болған санаулы галактика көреміз деп есептеген. Бірақ соншама көп табамыз немесе жаңалық галактика тарихы жөніндегі түсініктің астан-кестеңін шығарады деп күтпеді.
АЛТЫ СУРЕТТІҢ МОЗАИКАСЫ (6 ФИЛЬТРДЕН ӨТКЕН 180 СУРЕТ), NASA, ESA, CSA, STSCI, KLAUS PON-TOPPIDAN (STSCI)
Ғаламдағы тұңғыш галактикалық терең зерттеу 2022 жылы қыркүйекте басталды. JADES немесе Жетілген терең экстрагалактикалық зерттеу (JWST) атымен белгілі халықаралық ынтымақтастық аспан бөліктерін Уебб телескопымен ондаған сағат үздіксіз бақылады. Екі аптадан соң ғалымдар Тусондағы Аризона университетінде алғашқы нәтижелерді талқылады.
Шатқал жырасын еске түсіретін ашық аспан астындағы атриумы бар заманауи бес қабатты ғимаратта 50-ге жуық астроном бір бөлмеге жиналды. «Келесіде үлкендеу кабинет сұрауым қажет», – дейді университет астрономы, ынтымақтастық көшбасшыларының бірі Марсия Рике.
Штаттағы профессорлар мен жиырмадан астам аспирант ғалым ноутбуктерінде мозаикамен айналысып жатыр. Олар Уебб түсірген су жаңа жүздеген суретті біріктіруге кіріскен. Командаға бір күн бұрын берілген фотоларда он мыңдаған галактика мен аспан денесі бар. Олар бұрын-соңды көрмеген нәрселеріне нұсқап, қуана жымыңдайды: жұлдыз жиі туатын аймақтар, қара құрдым орналасуы мүмкін жарқыраған галактика орталығы, тек Уебб телескопы анықтай алған шалғайдағы галактикалардан жеткен қызғылт жарық нүктелері. «Бұл кәмпит дүкеніндегі баланың әрекеті секілді», – деді Рике маған. Бұған дейін ғаламның өткен шағынан хабар беріп келген Хаббл ғарыш телескопынан айырмашылығы сол, Уебб инфрақызыл сәулені қабылдауға бейімделген. Осылайша, ежелгі жұлдыз жарығын қабылдауға таптырмас мүмкіндік береді. Мұндай сәулелер ультракүлгін түс ретінде белгі қалдырғанымен, ғаламның кеңеюімен қызғылт толқынға дейін ұзарған. Осы феноменді қызғылттану деп атайды. Қызғылттанудың артуы нысананың алыста және көне екенін білдіреді.
КРИС ГАНН (РИКЕЛЕР); 104 СУРЕТТІҢ ЖИЫНТЫҒЫ (NASA, ESA, CSA, STSCI, WEBB ERO PRODUCTION TEAM)
Рике жұмысты өз ісінен ләззат ала отырып басқарады. Техникалық сұрақтарға жауап беруге араласып, әңгіме барысында телескоптың жұмысын талқылауға да уақыт табады. JADES-тің жетекші ғалымы екенінен бөлек, ол – Уебтің инфрақызылға жақын камерасы – NIRCam-ның бас зерттеушісі. Ал NIRCam арқылы ноутбуктердегі мозаиканың суреті түсірілген. Ол ғалам сәулелерін жұтып, түрлі фильтр арқылы зерделеуге мүмкіндік беретін айналар, линзалар мен детекторлардан тұратын 150 килограмдық камераның дизайнын құрастыруға атсалысты.
«Бар үмітіміз осы суреттерде», – дейді ол. Бірақ телескоптың барлық бөлігі мінсіз жұмыс істеп тұрған жоқ. JADES-тің инфрақызылға жақын спектографы, яғни NIR-Spec-те болған қысқа тұйықталудан жарық белгілерін түсіріп, бақылаудағы кейбір астрономиялық нысандарды көмескілеген. Құрылғы жарықты спектрлерге бөліп, ғалымдарға галактиканың химиялық құрамын біріктіруге мүмкіндік беріп, қызғылттануын дәл есептеуге жол ашады. NIRCam суреттері галактикаға дейінгі қашықтықты есептеуге қолданылғанымен, оны растауға NIRSpec қажет.
Қысқа тұйықталу топтың кейбір бақылауын кешеуілдетті. Бірақ кездейсоқ жағдайдың пайдасы тиді. Астрономдар NIRSpec-ті бұған дейін Хаббл арқылы белгілі аспан денелерін зерделеуге пайдалануды жоспарлаған. Бірақ енді NIRCam арқылы жаңа ашылған галактикаларды нысанаға ала алады. «Бұрын-соңды ешкім көрмеген деректерге, осынау «үміткерлерге» қарап, ақылымыздан айырыла жаздадық», – деді маған кейінірек Аризона университетінің астрофизигі Кевин Хейнлайн. Топ мүшелері телескоптың қайда бағытталғанын ғана өзгерте алмады. Осылайша, көз алдындағы денелерді ғана іздеуге тиіс. Сәті түсіп, NIRCam анықтаған алыстағы 4 галактика қажет жерден табыла кетті. NIRSpec бақылауы кейінірек соның екеуі ең шалғайда әрі біз білетіндердің ең ежелгісі екенін растады.
JADES-GS-z13-0 деп аталатын, ең алыс бөлігіндегі шоғыр үлкен жарылыстан кейін 325 млн жылдан соң пайда болды. «Осы нысананы деректер базасынан алғаш көргенде топқа жіберген хабарламам Slack-та әлі күнге сақталып тұр, – дейді Хейнлайн. – Ақылым ауысып отырып, сол сәттің маңызын толық сезінбей, адамзат көрген ең алыс галактика ғой деп отыра беріппін». Ежелгі галактикаларға қатысты екі нәрсе анық: олар әлдеқайда көп және жасына қарамастан, таңғалдырарлықтай жарық. Мұндай аномалияның себебі, алғашқы жұлдыздар ойлағанымыздай емес, әлдеқайда оңтайлы пайда болғанында немесе үлкен жұлдыздардың күткенімізден әлдеқайда көптігінен болуы мүмкін. «Ежелгі ғаламда жұлдыз қалай пайда болса да, болжамымызға мүлдем сай келмейді», – дейді Рике.
Үлкен жарылыстан 440 млн жыл өткен соң қалыптасқан көне галактиканың бірі GN-z11 жарық болғаны соншалық, Хаббл оны 2016 жылы-ақ анықтады. Енді оны Уебб те бақылауға алып, NIRSpec спектрі арқылы зерделеді. «Баршамызды шатастырып, толқытқан сәт»,– дейді Англиядағы Хартфордшир университетінің астрофизигі, NIRSpec тобының мүшесі Эмма Кертис-Лейк.
Кейбір элементтер оның спектрінде галактикалық материалдың саусақ ізі секілді жарық сәуле сызықтарын қалдырады. GN-z11 спектрі көп мөлшерде азот тапты. Ғалымдар оның қайдан шыққанын таба алмай, бас қатыруда. Бәлкім, Вольф-Райе жұлдызы атымен белгілі аса ыстық жұлдыздар ғарыш желі арқылы азот шашуы мүмкін. Немесе бірнеше алып жұлдыз соқтығысып, ядросы мен беткі қабатындағы материалдардың араласуы кезінде азот тарауы ықтимал.
Сондай-ақ GN-z11-де ғаламат қара құрдым болуы мүмкін. Бұл – көне дәуір үшін таңғаларлық жағдай. «Біз көрген ең шалғайдағы қара құрдым шығар», – дейді Кертис-Лейк.Жарық галактиканың ортасына жасырынған ол спектр сызығы арқылы көрінеді. Кертис-Лейк оны «кішкентай жасырын құбыжықтар» деп атайды. Осы сызықтар заттар тығыз аймақта өте жылдам қозғалып, сағатына 1,5 млн км жылдамдықпен үйірілетінін аңғартады. Мұндай нәрсені қара құрдымға жақын маңнан көре аласыз. Бірақ осындай денелердің бірі тез арада қалай үлкейіп кеткені әлі күнге жұмбақ.
«Мұнда бәрі бұрынғыдай емес», – дейді Рикенің күйеуі Джордж диспетчерлік бөлмеге кіріп келе жатып. (Олар осында тамақ та ішеді). «Иә, – дейді Марсия. – Мониторлар бұрынғыдан бес есе көп». Ерлі-зайыптылар маған Тусонға жақын таудағы көне телескопты тамашалауды ұсынды. Олар мансабын енді бастағанда осында көп уақыт өткізген. Ал Бигелоу тауындағы 1,5 метрлік телескоп жаңа саналатын. Оны Ай бетінің картасын жасауға қолданды. Бұл инфрақызыл сәулемен жұмыс істейтін астрономия саласындағы жетекші обсерваторияның біріне айналды. Құдды Уебтің арғы атасы секілді.
Рикелер сабақтастықты жеңілдетуге көмектеседі. Марсия NIRCam-ды дайындауға атсалысса, Джордж – Уебтің орта инфрақызыл ауқымының, яғни MIRI-дің жетекші ғалымы. Олар түні бойы ояу жүруді, Жер айналған кезде нысанадан айырылып қалмау үшін телескопты баяу реттеуді үйренген. Қазіргі таңда олардың көмекшілері бұл жұмысты ноутбук арқылы істей береді.
1970 жылдары Марсия мен Джордж Бигелоу тауындағы телескопты Құс жолының ортасынан жеткен инфрақызыл сәулелерді алғаш зерттеуге қолданды. Марсияның түсіндіруінше, ғалымдар галактикамыздың осы бөлігін «көне, қызықсыз жұлдыздар жиынтығы» деп пайымдаған. Бірақ инфрақызыл сәулемен қарағанда, онда жұлдыз тез түзілетін турбулентті бөліктер анықталды. «Бүкіл түсінік өзгеріп кетті», – дейді Джордж.
Ол кезде ғарыштың инфрақызыл сәулесі енді-енді зерттеле бастаған. Инфрақызыл сәулеге бейімделген жаңа сенсорлар электромагнитті спектрдің бұрын беймәлім тұстарын көрсетті. Яғни гамма сәулелерінен бастап, радио толқындарына дейінгі бүкіл жарықты қамтиды. Бигелоу тауындағы телескоп жергілікті ғаламды бақылаулардың кемшін тұстарын толықтыруға көмектесті. Сол секілді Уебб тұңғиық ғаламның қараңғы тұстарын ашып көрсетеді. Әйтсе де ғаламның қалай басталғанын толықтай түсіну үшін Уебб телескопына ғана иек арту жеткіліксіз. Биылғы сәуірде, таңертең Чилидегі Атакама шөліндегі қар басқан жанартаулар арасындағы кең алқапқа түскен күн сәулесінен көзімді көлегейлеп тұрдым. Оттегі толы пластик түтікшелер мұрнымды қытықтайды. Бұл – 5000 метр биікте орналасқан Атакама Үлкен миллиметр/субмиллиметр (ALMA) алабына келушілер киюге міндетті жабдық.
Ондағы аспан қою көк түсті, атмосферада жарықты шашырататын молекула аз. Бұл – астрономдар үшін таптырмас орын. Алдымда биіктігі 4 қабатқа жететін ондаған радио антенна тұр. Чахнантор алқабында күзетшілердей шашыла орналасыпты. Жаңа нысананы бақылау үшін олардың бәрі бірдей бұрылады.
Әлемдегі ең озық радио обсерватория қатарына енетін ALMA – Уебб тапқан ежелгі галактикаларды зерделеуге арналған бірнеше құралдың бірі. Тек басқаша іздейді. Уебб сол галактикалардың шаңын жарып өткен жұлдыз сәулесін жинаса, ALMA жұлдыздар іштен ысытатын шаңның жарығын іздейді.
«Мына алғашқы шаң бөліктері супернова жарылысынан пайда болады. Демек алғашқы супернова жарылысы мен алғашқы жұлдыздар санына қатысты жанама түрде ақпарат жинай аласыз», – дейді Буэнос-Айрестегі Астрономия және ғарыш физикасы (IAFE) институтының астрофизигі Мария Эмилия де Росси. ALMA радиоантенналарын ежелгі галактикалардың кейбіріне бағыттаған. Бірақ алғашқы әрекеттің көбінен түк шықпай, ешқандай шаң сәулесін таппады. Бұл галактикалар дамудың бастапқы кезеңінде екенін, жарылған жұлдыздардан жеткілікті шаң шықпағанын білдіруі мүмкін. Немесе кейбірі біз ойлағаннан да жақын орналасқандығынан хабар беруі ықтимал.
Материалдың толық нұсқасы мен арнаулы графикалық ақпараттарды журналымыздың биылғы қазан айындағы санынан оқи аласыздар.