Далеко, дуже далеко: наскільки далека та галактика?

Наскільки зараз далеко від нас знаходилася галактика, одна з найвіддаленіших з відомих на сьогодні?

Про це розповідають в Національній радіоастрономічній обсерваторії США, передають OstanniPodii.com.

У грудні 2022 року астрономи за допомогою Атакамського великого міліметрового/субміліметрового масиву (ALMA) підтвердили відкриття однієї з найвіддаленіших галактик з коли-небудь спостережуваних. Слабке радіовипромінювання, зафіксоване ALMA, почало свій шлях до нас, коли вік Всесвіту становив менш як 360 мільйонів років. Це неймовірно далека галактика, але наскільки вона далека насправді? Відповідь на це запитання трохи складна, і залежить від того, що ви маєте на увазі під відстанню.

Новини за подібною темою:

		Три "червоні монстри" у ранньому Всесвіті кидають виклик сучасним моделям формування галактик
		Вебб і Габбл показали моторошну пару галактик
		В далекому космосі виявлено дивну галактику

Почнемо з того, що астрономи не можуть безпосередньо виміряти відстань до галактик, віддалених на мільярди світлових років. Замість цього вони вимірюють так званий червоний зсув, або z. У цьому випадку група дослідників виміряла певну довжину хвилі світла, що випускається киснем, відому як OIII. Коли ми спостерігаємо емісійну лінію OIII в лабораторії на Землі, її довжина хвилі становить 88 мікрометрів. Лінія OIII, спостережувана ALMA в цій конкретній галактиці, була набагато довшою — близько 1 160 мікрометрів. Оскільки червоне світло має більшу довжину хвилі, ніж синє, ми говоримо, що спостережувана лінія OII зсунута до червоного — червоний зсув. Враховуючи ці два числа, обчислити z не складно. Це просто відносний червоний зсув спостережуваного світла, тому z = (1160-88)/88 = 12,2. Чим більше z, то більше червоний зсув, а z = 12,2 — це найбільший підтверджений червоний зсув галактики на сьогодні.

Зображення галактики, отримане за допомогою JWST, і її радіоспектр, отриманий за допомогою ALMA. Credit: NASA/ESA/CSA/T. Treu, UCLA/NAOJ/T. Bakx, Nagoya U

Як це пов'язано з відстанню? Існує два способи, за допомогою яких світло від галактики може мати червоний зсув.

Перший відомий як доплерівський зсув і викликаний фізичним рухом галактики в просторі. Ви, ймовірно, знайомі з цим ефектом у звуці. Коли повз вас проноситься поїзд, його гудок звучить вище, коли поїзд наближається до вас, і нижче, коли проїжджає повз вас та котиться геть. Звукові хвилі збиваються в купу, коли потяг рухається до вас, тому мають вищий тон, а, коли потяг віддаляється від вас, вони розтягуються, маючи таким чином нижчий тон. Те ж саме відбувається зі світлом. Якщо галактика рухається до нас, її світло має синій зсув, а якщо вона рухається від нас, то світло має червоний зсув.

Другий спосіб виникнення червоного зсуву — космічне розширення. Всесвіт розширюється, і це означає, що коли світло йде до нас від далекої галактики, його довжина хвилі розтягується з причини розширення простору. Що довше світло подорожує, то більше воно розтягується, а отже, то більший відбувається червоний зсув світла. Це відомо як космологічний червоний зсув.

Для віддалених галактик майже весь спостережуваний нами червоний зсув є космологічним. Саме тому ми знаємо, що галактики з високим червоним зсувом, такі як оця, знаходяться дуже, дуже далеко.

Але це все ще не говорить нам про конкретну відстань. Щоб визначити її, ми повинні подивитися, як розширюється Всесвіт з плином часу. Наразі існує деяка невизначеність щодо швидкості космічного розширення, відомої як параметр Габбла. Згідно зі спостереженнями місії "Планк" за космічним мікрохвильовим фоном, його значення становить близько 68 (км/с)/Мпк, тоді як спостереження космічних апаратів "Габбл" і Gaia дають вище значення — близько 72 (км/с)/Мпк. Чим більше значення, тим швидше розширюється Всесвіт і тим далі віддалені галактики. Якщо ми виберемо середнє значення 70 (км/с)/Мпк, то зможемо розрахувати розумну відстань за допомогою загальної теорії відносності, але навіть тоді наша відповідь залежатиме від того, як ми визначимо відстань.

Одним з визначень може бути питання про те, як довго світло йшло від галактики до нас. Цей час відомий як час проходження світла й становить близько 13,1 мільярда років. Оскільки вік Всесвіту становить близько 13,46 мільярда років (виходячи з обраного нами параметра Габбла), це означає, що світло покинуло галактику, коли Всесвіту було близько 360 мільйонів років. Це визначення корисне для астрономів, оскільки далекі галактики розповідають нам про ранній Всесвіт. Для астрономів важливіше знати місце галактики в історії, ніж її відстань.

Оскільки світло подорожувало 13,1 мільярда років, чи означає це, що галактика знаходиться на відстані 13,1 мільярда світлових років? Не зовсім. Через космічне розширення світло подорожувало набагато довше, ніж якби Всесвіт не розширювався. Галактика була ближчою до нас, коли світло почало свою подорож. Набагато ближче. Якщо ми порахуємо, на якій відстані від нас перебувала галактика 13,1 мільярда років тому, то отримаємо 2,4 мільярда світлових років. Отже, ця галактика перебувала всього за 2,4 мільярда світлових років від нас, але Всесвіт розширився настільки, що її світлу знадобилося 13,1 мільярда світлових років, щоб досягти нас.

Коли світло проходить через Всесвіт, що розширюється, його довжина хвилі розтягується. Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Звичайно, ви, ймовірно, хочете знати, як далеко від нас знаходиться галактика зараз. Звичайно, галактика перебувала на відстані 2,4 мільярда світлових років, але щойно світло почало рухатися в наш бік, галактика продовжила віддалятися від нас через Всесвіт, який постійно розширюється. Так де ж знаходиться галактика зараз? Якщо порахувати, то виявиться, що галактика зараз знаходиться на відстані близько 32 мільярдів світлових років. Але почекайте-но? Як ми можемо бачити галактику на відстані 32 мільярдів світлових років, якщо вік Всесвіту менш як 14 мільярдів років? Відповідь полягає в тому, що ми не можемо. На знімку ALMA галактика має такий вигляд, як вона виглядала, коли до неї було всього 2,4 мільярда світлових років. Ми ніколи не зможемо побачити, як галактика виглядає зараз. Вона занадто далеко, і Всесвіт розширюється занадто швидко, щоб світло могло дійти до нас. Ми бачимо тільки оптичне відлуння того, де вона була і який вигляд мала раніше.

Усе це досить дивно, щоб спантеличити мозок будь-якої людини. Ось чому астрономи звертають увагу на величину червоного зсуву z, і чому ми зазвичай говоримо про те, скільки років було Всесвіту, коли галактичне світло почало свій шлях. Цього достатньо, щоб сказати нам, що галактика знаходиться далеко та її видно з давніх часів. Так давно і так далеко, що її відстань важко визначити.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Галактики
• розширення Всесвіту