Что представляла собой Вселенная в первые сотни миллионов лет после своего возникновения? Как формировались первые звёзды и галактики? Теперь у астрономов есть больше шансов ответить на эти вопросы благодаря новой исследовательской программе с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который был запущен в 2022 году.
Программа MINERVA, возглавляемая астрономом из Тафтса, предоставит исследователям ещё более детальный взгляд на раннюю Вселенную. В программе используются инструменты на телескопе Уэбба, которые изучают другой спектр света, нежели обычно.
Благодаря этой возможности исследователи надеются обнаружить редкие и необычные галактики, чтобы лучше понять процесс их формирования. Они также хотят узнать, создают ли некоторые из древнейших галактик новые звёзды, и больше понять, как образуются сверхмассивные чёрные дыры.
Программа MINERVA
Программа MINERVA (Medium-band Imaging with NIRCam to Explore ReVolutionary Astrophysics) начала использовать телескоп Уэбба 25 июля. Наблюдения планируется проводить в течение года.
Данило Марчезини, профессор физики и астрономии и декан по научным исследованиям в области искусств и наук в Тафтсе, является одним из главных исследователей программы MINERVA. В программе участвуют преподаватели и студенты Тафтса, а также исследователи из многих университетов и институтов по всему миру.
Другие мощные чувствительные телескопы, включая космический телескоп Хаббла, проводили аналогичные исследования, но не могли предоставить высокодетализированные изображения очень далёкой Вселенной в первые миллиарды лет космической истории.
Цели программы MINERVA
С помощью программы MINERVA астрономы будут получать среднеполосные изображения с помощью инструмента NIRCam на JWST, а также изображения с другого инструмента JWST под названием MIRI, что позволит проводить более точные наблюдения в областях, которые были исследованы ранее, особенно для объектов, скрытых пылью.
«Идея здесь состоит в том, чтобы получить окончательный мультиспектральный набор данных для науки внегалактической астрономии», — говорит Марчезини. Они нацелены на четыре основных внегалактических поля — то есть за пределами нашей галактики Млечный Путь, — ожидая получить гораздо более детальные результаты.
С новыми данными, которые они будут собирать, «появится очень точное знание свойств этих галактик и их звёздных популяций — звёздной массы галактики, количества звёзд, которые эта галактика формирует каждый год, и истории формирования звёзд», — говорит он.
Изучение ранней Вселенной
В астрономии более далёкие объекты в космосе отражают то, как давно они были сформированы, потому что чем дальше объект, тем дальше в прошлое мы его наблюдаем. Это расстояние измеряется красным смещением — по сути, изменением спектра света, излучаемого объектом, когда он удаляется от нас. Чем дальше объект, тем больше его красное смещение.
Чтобы наблюдать Вселенную, когда она была на 5 миллиардов лет моложе — когда Вселенной было около 7,7 миллиарда лет, — «нам нужно наблюдать галактики с красным смещением 1, но если мы хотим наблюдать галактики, когда Вселенной было один или полмиллиарда лет, нам нужно наблюдать галактики с красным смещением 6 или 10», — говорит Марчезини.
«Одной из целей телескопа Уэбба является поиск первых звёзд, первых галактик», — говорит он. «С помощью MINERVA мы хотим найти множество разных вещей, и одна из них — поиск очень надёжных кандидатов в галактики в первые 300 миллионов лет, или красное смещение выше 13».
Поиск первых звёзд и галактик
С помощью среднеполосного изображения астрономы могут отличить объекты с красным смещением 13 от, скажем, гораздо более поздних галактик, скрытых пылью, с красным смещением 5. (Свет, скрытый пылью, слабее, из-за чего кажется, что он находится дальше, чем есть на самом деле.) С помощью этой информации исследователи могут «попытаться лучше соединить воедино кусочки эволюции галактик, особенно в этот пыльный период», — говорит он.
Исследователи также очень заинтересованы в первых спокойных галактиках — галактиках, которые перестали формировать звёзды и остаются спокойными до конца своего существования. «MINERVA позволит нам идентифицировать очень надёжную выборку спокойных галактик на всём пути от красного смещения 3, где мы знаем, что спокойные галактики существуют, до красного смещения 8, действительно пытаясь найти, когда первые спокойные галактики появились во Вселенной», — говорит Марчезини.
Понимание развития сверхмассивных чёрных дыр
Ещё одна цель MINERVA — лучше понять класс объектов, обнаруженных ранее космическим телескопом Уэбба, называемых «маленькими красными точками». Астрономы считают, что это сверхмассивные чёрные дыры, но не знают, есть ли вокруг них газ и звёзды.
«MINERVA, безусловно, позволит нам идентифицировать маленькие красные точки гораздо более надёжным образом», — говорит Марчезини, «определив эволюцию количества и плотности маленьких красных точек, а также центральных сверхмассивных чёрных дыр, которые, как мы думаем, их генерируют. Это действительно важно для понимания того, как, например, сверхмассивные чёрные дыры росли во Вселенной, и как они связаны с галактикой-хозяином, в которой они находятся».
В настоящее время существует широкий спектр теоретических моделей развития сверхмассивных чёрных дыр, и Марчезини говорит, что маленькие красные точки «могут стать ключом к пониманию или различению между этими различными сценариями и моделями».
Марчезини говорит, что он взволнован началом программы MINERVA этим летом. «Она определённо обеспечит трансформационную науку и результаты», — говорит он.
Предоставлено университетом Тафтса.