У пошуках космічного світанку та перших зірок Всесвіту

Після лише чотирьох коротких років, космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) NASA та спостережні космологи, такі як Річард Елліс з Університетського коледжу Лондона (UCL), змогли відсунути космічний погляд назад до епохи, коли перші зірки та галактики Всесвіту стали доступні для спостереження.

Недавнє мультиспектральне дослідження JWST тисяч об'єктів за допомогою 150 окремих вузьких ліній спостереження на площі 0.6 квадратних градусів неба показує різке зниження формування галактик лише через 150-200 мільйонів років після Великого вибуху.

Це область спостереження, яка приблизно в три рази більша за повний місяць.

Але вивчення галактик на найраніших етапах надає унікальне вікно в початкові умови, які заклали основу для формування та еволюції хімічних елементів, надмасивних чорних дір (SMBH) та великих структур, які ми бачимо сьогодні, як зазначають автори статті 2026 року, що з'явиться в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Натхненний можливістю заглянути в минуле, Елліс сам почав своє дослідження далекого Всесвіту ще 58 років тому, будучи студентом. У 1968 році високий червоний зсув означав світлі квазари — тепер відомі як активні галактичні ядра (AGN).

У нас не було великих телескопів, і ми все ще використовували фотопластини, розповів мені Елліс, професор астрофізики в UCL, у своєму кабінеті.

Червоний зсув 3, на якому знаходилися квазари, відповідає розширенню Всесвіту в чотири рази.

Це дійсно повертає вас назад до періоду, коли Сонячна система ще не була сформована, до часу, коли Всесвіт був приблизно на третину свого сучасного віку, каже Елліс.

Але в 1995 році Елліс був єдиним членом комітету Hubble Space Telescope and Beyond, що базувався в Європі, який обґрунтував наукову необхідність створення 6.5-метрового інфрачервоного JWST.

Ми відсунули межі назад до часу, коли Всесвіт був лише 200 мільйонів років, і дізналися так багато про те, як еволюціонує Всесвіт, каже Елліс. Ми починаємо бачити проблиски того, що ми називаємо космічним світанком, моменту, коли перші галактики виходять з темряви, говорить він.

Як формуються ці галактики?

Коли Всесвіт розширювався та охолоджувався, атом водню зрештою сформувався, але Всесвіт був темним, газові хмари були там, але не світлили, каже Елліс.

Але ці газові хмари незабаром звалилися навколо безлічі темної матерії раннього космосу.

Зрештою, ці газові хмари нагрілися і запалили ядерне горіння, каже Елліс.

Ці ранні галактики дуже малі; деякі з них в тридцять разів менші за нашу величну спіральну галактику Чумацький Шлях і лише 60-70 світлових років в діаметрі. Це більше на рівні зіркового глобулярного скупчення, ніж повноцінної галактики.

Хоча вони фізично дуже малі, вони виробляють зірки в 20 разів швидше, ніж Чумацький Шлях, каже Елліс. Тож, їх спостерігають у надзвичайно молодий та енергійний період їхньої активності, говорить він.

Зв'язок між цими ранніми об'єктами та величними спіралеподібними галактиками, такими як Чумацький Шлях та сусідня галактика Андромеда, є одним з завдань для розуміння еволюції всіх галактик. Але святий грааль — знайти короткоживучі так звані зірки Популяції III, які не мають важких елементів, лише водень та гелій.

Масивні зірки живуть лише близько 5 мільйонів років, перш ніж вибухнути, і, звичайно, після вибуху вони забруднюють газ важкими елементами, тож вони більше не є хімічно чистими, каже Елліс.

Все ще буде наукова праця, щоб підтвердити, що будь-яка конкретна галактика або галактики є першими, які сформувалися. Існує три сучасні методи для визначення космічного світанку.

Відкриття популяції хімічно чистих галактик, які не забруднені вибухами наднових.

Це дуже складно, оскільки ви повинні безсумнівно продемонструвати відсутність викидів кисню, каже Елліс.

Відстеження зменшення кількості галактик, що формують зірки, з підвищенням червоного зсуву і в певний момент виявлення різкого зниження.

Відстеження зменшення хімічної abundances (наприклад, співвідношення кисню до водню) з підвищенням червоного зсуву.

Це вимагає значно більше спектрів, ніж ми маємо зараз, але, можливо, це найобіцяючіший шлях, каже Елліс.

Існує також інший шлях до знаходження космічного світанку, який не передбачає традиційні космічні або наземні телескопи. Це означає, що потрібно шукати сигнатуру Лаймана альфа водню на космологічних відстанях. Наступна мережа квадратного кілометра (SKA) в Західній Австралії має шанс зробити це в радіоспектрі.

Коли галактики вперше освітлювали Всесвіт зоряним світлом, газові хмари нагрівалися і випромінювали найсильнішу спектральну лінію водню, яка є так званою лінією Лаймана альфа.

Складне зображення майбутніх телескопів SKA, поєднуючи те, що вже існує на місці, з художніми враженнями. Кредит: SKA Observatory.

Космічна кореляція

Існує цікава резонанс між цією лінією Лаймана альфа водню та 21-см радіолінією основного стану водню, коли цей найосновніший з усіх елементів знаходиться на своєму найстабільнішому, найнижчому можливому енергетичному рівні.

В результаті Елліс та його колеги очікують побачити цю 21-см лінію водню, червонозсувлену в спектральних лініях поглинання, коли її спостерігають на фоні більш віддаленого Космічного мікрохвильового фону (CMB).

Що стосується тих, хто стверджує, що вивчення цих ранніх часів не має відношення до нашого повсякденного життя?

Ми складаємося з матеріалу, який синтезується в зірках; хімія, яка врешті-решт призвела до нас, почалася в космічному світанку, каже Елліс. Тож, в певному сенсі, це майже так само важливо, як Великий вибух, говорить він.

Але без розуміння перших галактик і перших зірок ми не можемо дійсно отримати повне уявлення про астробіологію. Тому що, коли ці зірки вибухають, вони виробляють хмари газу та пилу, які обертаються навколо наступного покоління зірок, які, в свою чергу, можуть утворювати планети з умовами, придатними для життя.

І коли ці елементарні одноклітинні форми життя сформувалися, врешті-решт десь у цій суміші є ти і я, каже Елліс.

Джерела

Річард Елліс

MNRAS 2026 Paper