Далеко, очень далеко: насколько далека та галактика?

Насколько сейчас далеко от нас находилась галактика, одна из самых отдаленных из известных на сегодня?

Об этом рассказывают в Национальной радиоастрономической обсерватории США, передают OstanniPodii.com.

В декабре 2022 года астрономы с помощью Атакамского большого миллиметрового/субмиллиметрового массива (ALMA) подтвердили открытие одной из самых отдаленных галактик из когда-либо наблюдаемых. Слабое радиоизлучение, зафиксированное ALMA, начало свой путь к нам, когда возраст Вселенной составлял менее 360 миллионов лет. Это невероятно далекая галактика, но насколько она далека на самом деле? Ответ на этот вопрос немного сложен, и зависит от того, что вы подразумеваете под расстоянием.

Начнем с того, что астрономы не могут напрямую измерить расстояние до галактик, удаленных на миллиарды световых лет. Вместо этого они измеряют так называемое красное смещение, или z. В этом случае группа исследователей измерила определенную длину волны света, испускаемого кислородом, известную как OIII. Когда мы наблюдаем эмиссионную линию OIII в лаборатории на Земле, ее длина волны составляет 88 микрометров. Линия OIII, наблюдаемая ALMA в этой конкретной галактике, была намного длиннее — около 1 160 микрометров. Поскольку красный свет имеет большую длину волны, чем синий, мы говорим, что наблюдаемая линия OII сдвинута к красному — красное смещение. Учитывая эти два числа, вычислить z не сложно. Это просто относительное красное смещение наблюдаемого света, поэтому z = (1160-88)/88 = 12,2. Чем больше z, тем больше красное смещение, а z = 12,2 — это самое большое подтвержденное красное смещение галактики на сегодняшний день.

Изображение галактики, полученное с помощью JWST, и ее радиоспектр, полученный с помощью ALMA. Credit: NASA/ESA/CSA/T. Treu, UCLA/NAOJ/T. Bakx, Nagoya U

Как это связано с расстоянием? Существует два способа, с помощью которых свет от галактики может иметь красное смещение.

Первый известен как доплеровское смещение и вызван физическим движением галактики в пространстве. Вы, вероятно, знакомы с этим эффектом в звуке. Когда мимо вас проносится поезд, его гудок звучит выше, когда поезд приближается к вам, и ниже, когда проезжает мимо вас и катится прочь. Звуковые волны сбиваются в кучу, когда поезд движется к вам, поэтому имеют более высокий тон, а, когда поезд удаляется от вас, они растягиваются, имея таким образом более низкий тон. То же самое происходит со светом. Если галактика движется к нам, ее свет имеет синее смещение, а если она движется от нас, то свет имеет красное смещение.

Второй способ возникновения красного смещения — космическое расширение. Вселенная расширяется, и это означает, что когда свет идет к нам от далекой галактики, его длина волны растягивается по причине расширения пространства. Чем дольше свет путешествует, тем больше он растягивается, и, следовательно, тем больше происходит красное смещение света. Это известно как космологическое красное смещение.

Для отдаленных галактик почти все наблюдаемое нами красное смещение является космологическим. Именно поэтому мы знаем, что галактики с высоким красным смещением, такие как эта, находятся очень, очень далеко.

Но это все еще не говорит нам о конкретном расстоянии. Чтобы определить его, мы должны посмотреть, как расширяется Вселенная с течением времени. Сейчас существует некоторая неопределенность относительно скорости космического расширения, известной как параметр Хаббла. Согласно наблюдениям миссии "Планк" за космическим микроволновым фоном, его значение составляет около 68 (км/с)/Мпк, тогда как наблюдения космических аппаратов "Хаббл" и Gaia дают более высокое значение — около 72 (км/с)/Мпк. Чем больше значение, тем быстрее расширяется Вселенная и тем дальше удалены галактики. Если мы выберем среднее значение 70 (км/с)/Мпк, то сможем рассчитать разумное расстояние с помощью общей теории относительности, но даже тогда наш ответ будет зависеть от того, как мы определим расстояние.

Одним из определений может быть вопрос о том, как долго свет шел от галактики к нам. Это время известно как время прохождения света и составляет около 13,1 миллиарда лет. Поскольку возраст Вселенной составляет около 13,46 миллиарда лет (исходя из выбранного нами параметра Хаббла), это означает, что свет покинул галактику, когда Вселенной было около 360 миллионов лет. Это определение полезно для астрономов, поскольку далекие галактики рассказывают нам о ранней Вселенной. Для астрономов важнее знать место галактики в истории, чем ее расстояние.

Поскольку свет путешествовал 13,1 миллиарда лет, означает ли это, что галактика находится на расстоянии 13,1 миллиарда световых лет? Не совсем. Из-за космического расширения свет путешествовал намного дольше, чем если бы Вселенная не расширялась. Галактика была ближе к нам, когда свет начал свое путешествие. Намного ближе. Если мы посчитаем, на каком расстоянии от нас находилась галактика 13,1 миллиарда лет назад, то получим 2,4 миллиарда световых лет. Итак, эта галактика находилась всего в 2,4 миллиарда световых лет от нас, но Вселенная расширилась настолько, что ее свету понадобилось 13,1 миллиарда световых лет, чтобы достичь нас.

Когда свет проходит через расширяющуюся Вселенную, его длина волны растягивается. Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Конечно, вы, вероятно, хотите знать, как далеко от нас находится галактика сейчас. Конечно, галактика находилась на расстоянии 2,4 миллиарда световых лет, но как только свет начал двигаться в нашу сторону, галактика продолжила удаляться от нас из-за постоянно расширяющейся Вселенной. Так где же находится галактика сейчас? Если посчитать, то окажется, что галактика сейчас находится на расстоянии около 32 миллиардов световых лет. Но подождите-ка? Как мы можем видеть галактику на расстоянии 32 миллиардов световых лет, если возраст Вселенной менее 14 миллиардов лет? Ответ заключается в том, что мы не можем. На снимке ALMA галактика выглядит так, как она выглядела, когда до нее было всего 2,4 миллиарда световых лет. Мы никогда не сможем увидеть, как галактика выглядит сейчас. Она слишком далеко, и Вселенная расширяется слишком быстро, чтобы свет мог дойти до нас. Мы видим только оптическое эхо того, где она была и как выглядела раньше.

Все это достаточно странно, чтобы озадачить мозг любого человека. Вот почему астрономы обращают внимание на величину красного смещения z, и почему мы обычно говорим о том, сколько лет было Вселенной, когда галактический свет начал свой путь. Этого достаточно, чтобы сказать нам, что галактика находится далеко и видна с давних времен. Так давно и так далеко, что ее расстояние трудно определить.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.