Когда и как галактики, содержащие сотни миллиардов звезд образовались и как они эволюционировали? Солнце, центр нашей планетарной системы, тоже является одной из миллиардов звезд нашей галактики. Понятно, что без знаний о галактиках нам не познать мира, в котором мы живем.

Один из самых надежных и простых методов изучения галактик – анализ их состава. Наблюдение галактик всегда приводит к тому, что мы их видим такими, какими они были очень давно. Чем дальше расположен объект, тем более молодым мы его видим, так как свету требуется больше времени, чтобы добраться от источника до нас. Это нашло отражение и в обозначении расстояний в астрономии – по числу лет, необходимых свету, чтобы преодолеть его. Это позволяет расширить анализ состава галактик с единовременных измерений до хронологии их развития, так как какие-то галактики вы видим такими, какими они были через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, а некоторые – такими, какими они являются сейчас (несколько тысяч лет не играет роли на астрономических масштабах).

В основном наблюдения проводятся в оптическом диапазоне. Например, именно в нем по большей части работает Хаббл. Однако галактики, находящиеся в фазе активного звездообразования закрыты плотными облаками газа, блокирующего видимый свет. Кроме того, для изучения древних галактик нужно наблюдать очень далекие объекты, которые чрезвычайно тусклы в оптическом диапазоне. Поэтому приходится искать помощи на других длинах волн. Это также позволяет полнее раскрыть потенциал спектрального метода, так как различные материалы хорошо идентифицируются на разных длинах волн.

Тору Нагао, сотрудник Киотского университета и руководитель описываемого исследования, описывает этот подход так: «Мы сконцентрировались на миллиметровых волнах, то есть радиоволнах с длиной волны около одного миллиметра, что позволяет нам исследовать галактики не опасаясь, что они будут закрыты от нас, даже если на пути будет очень много пыли. Мы также решили обратиться к изучению так называемых субмиллиметровых галактик – таких, которые испытывают активное звездообразование в ходе своей эволюции».

Для того, чтобы выделить содержание различных элементов в галактиках, в спектрах получаемого излучения надо распознать их подписи – гистограммы, и их интенсивность. Проще говоря, форма сигнала зависит от химического элемента, а его интенсивность – от его количества. Для выделения элементов, слабо представленных в галактике, поэтому требуется высокая чувствительность. Сперва был выбран объект исследования – галактика LESS J033229.4-275619, и инструмент ее изучения – телескоп APEX, обслуживаемый Европейской южной обсерваторией. С его помощью удалось выделить линии испускания углерода, но из-за низкой чувствительности ничего, кроме атомов и молекул, содержащих углерод, выделить не удалось. Причина этого заключается в том, что углерод – один из самых распространенных элементов во Вселенной, так что его доля в спектре принимаемого света всегда велика. Для преодоления этой проблемы был использован пока что строящийся телескоп ALMA. Обсерватория представляет собой множество радиотелескопов, часть из которых еще не введена в строй, но имеющиеся уже начали работу. Группа Нагао стала одной из немногих, сумевших выиграть конкурс на наблюдательное время недостроенного телескопа при конкурсе примерно 9:1.

Наблюдения были проведены с октября 2011 года по январь 2012 года. Целью был азот, и его линии испускания были успешно найдены. На рисунке представлены гистограммы углерода и азота, по которым видно, что яркость азота примерно в 10 раз меньше, нежели у углерода. Всего было потрачено 14.5 часов наблюдательного времени APEX для выделения углерода и 3.6 часа ALMA для выделения азота. Это уже показывает высокую чувствительность новой обсерватории, в которой пока введено в строй 18 телескопов и запланированных 66.

«Поначалу я считал, что эти наблюдения будут очень сложны, так мы ожидали очень слабые линии испускания азота. Поэтому я был очень обрадован, когда нам удалось без труда распознать азот в спектре. Мощность обсерватории меня поразила», – говорит Нагао. Благодаря тому, что ALMA имеет намного больше антенн своего интерферометра, обсерватория намного меньше подвержена влиянию возмущений. Именно поэтому при небольшом времени наблюдения были получены четкие данные. Наблюдательные данные о наличии углерода и азота в галактике LESS J033229.4-275619 были сравнены с предсказанными теоретически. Как оказалось, в это галактике, расположенной на расстоянии 12.4 миллиарда световых лет от нас, а значит видимой такой, какой она была менее чем через полтора миллиарда лет после Большого взрыва, количество азота сильно отличается от теоретического. Молодая Вселенная тогда должна была содержать практически только водород и гелий. Одновременно, химический состав оказался аналогичен текущему солнечному. «Субмиллиметровые галактики считаются массивными образованиями, находящимися в фазе роста. Наше исследование, показывающее, что LESS J033229.4-275619 уже имела состав, похожий на солнечный, говорит о том, что в массивных галактиках процессы рождения новых элементов протекали быстрее. То есть активное звездообразование в молодой Вселенной происходило интенсивнее», – заключает Нагао.