Астрономы обнаружили тёмные галактики из ранней Вселённой

В так называемые тёмные века истории Вселенной её должны были наполнять теоретически предсказанные, но до последнего времени не обнаруживаемые тёмные галактики. Считается, что они послужили строительным материалом для современных нам ярких, наполненных звёздами галактик, снабдив их большим количеством газа, из которого впоследствии и сформировались нынешние светила.

В те времена Вселенная была заполнена водородом, гелием и реликтовым излучением. Звёзды и тем более квазары, а также другие яркие источники ещё не «прорезались» из облаков газа.

Ясно, что без ярких источников света найти объекты, находящиеся почти в 13 млрд световых лет, было не просто. Но «Очень большому телескопу» (VLT) это удалось. Почему? Тёмные века заканчивались не одновременно: кое-где уже успели появиться квазары, а иные галактики по-прежнему оставались вполне тёмными. И близлежащие квазары подсветили своих тёмных соседей — точнее, их тёмный газ.

Его-то, как считают астрономы, они и увидели, обнаружив тем самым пресловутые тёмные галактики.

«Наш подход к проблеме обнаружения тёмной галактики прост: осветить её ярким светом, — объясняет Симон Лилли, один из соавторов исследования.— Мы искали флюоресцирующее свечение газа в тёмных галактиках, которые освещены ультрафиолетовым излучением близкого к ним очень яркого квазара. Свет квазара заставляет тёмную галактику светиться вследствие процесса, похожего на тот, из-за которого светится белое, освещённые УФ-лампой...»

Разумеется, пришлось сделать серию очень долгих экспозиций, чтобы обнаружить крайне слабое флюоресцентное свечение тёмных галактик как свечение объектов на удалении в более чем 10 млрд световых лет. В качестве «подсветки» использовался особо яркий квазар HE 0109-3518. С приёмником FORS2 астрономы построили карту области неба вокруг HE 0109-3518, пытаясь обнаружить УФ-свечение, испускаемое газообразным водородом, на который падает интенсивное излучение.

Расширение Вселенной приводит к тому, что, когда это свечение достигает VLT, оно наблюдается как оттенок видимого фиолетового света. Это излучение атомов водорода известно как излучение Лайман-альфа. Оно образуется при переходе электронов в водородных атомах со второго на первый (самый низкий) энергетический уровень и лежит в ультрафиолетовой области спектра. Из-за расширения Вселенной длина волны света, распространяющегося от объекта, растягивается при движении в пространстве, и чем дальше распространяется волна, тем больше она растягивается. Поскольку красный цвет соответствует наибольшей длине волны света, воспринимаемого человеческим глазом, процесс представляется как сдвиг длины волны в направлении красного конца спектра (отсюда, кстати, и термин «красное смещение»). Квазар HE 0109-3518 расположен на красном смещении z = 2,4, и УФ-излучение тёмных галактик сдвигается в видимую область спектра. Чтобы выделить длину волны, на которую смещается флюоресцентная эмиссия, исследователи разработали узкополосный фильтр с шириной полосы пропускания в 4 нм. Он был центрирован на волну около 414,5 нм (фиолетовый оттенок), куда и должна смещаться длина волны Лайман-альфа-эмиссии при z = 2,4.

В итоге после нескольких лет поисков удалось обнаружить сразу около ста газообразных объектов на удалении в несколько млн световых лет от квазара. Затем был долгий анализ того, у кого из них свечение газа вызывалось уже начавшимся процессом газообразования собственных звёзд, а кто был подсвечен только ультрафиолетом квазара. Последних объектов было двенадцать — и это и есть настоящие тёмные галактики. По оценкам, масса газа в каждой из них равна примерно миллиарду масс Солнца, что для галактики не много, но на первом этапе эволюции Вселенной, до массовых слияний и поглощений, иного и быть не могло.

Кроме того, удалось показать, что по сравнению с типичной звездообразующей галактикой, находящейся на той же стадии своей истории, эффективность звездообразования в тёмной галактике в сотню с лишним раз ниже (эффективность звездообразования определяется как отношение массы новообразованных звёзд к массе газа, из которого звёзды могут сформироваться). Оказалось, что для данных объектов потребовалось бы более 100 млрд лет, чтобы их газ превратился в светила, — срок, более чем всемеро превышающий время, прошедшее с начала существования Вселенной. Результат согласуется с недавними теоретическими исследованиями, заключившими, что из-за низкого содержания металлов богатые газом маломассивные гало на высоких красных смещениях могут отличаться очень низкой интенсивностью звездообразования.