Первые галактики не обязательно сияли красным и тем более не «остыли» по дороге к нам. Многие их молодые звёзды излучали яркий ультрафиолетовый и видимый свет. Инфракрасным этот свет сделало само расширение пространства.
2. Цвет меняется в пути
Свет можно представить как волну с определённой длиной. Фиолетовые и ультрафиолетовые волны короче, красные длиннее, а инфракрасные лежат за красной границей человеческого зрения. Пока древний фотон летит миллиарды лет, пространство между гребнями его волны расширяется.
В результате длина волны увеличивается. Излучение, покинувшее галактику как ультрафиолетовое, может прийти к Земле в ближнем или среднем инфракрасном диапазоне. Этот эффект называют космологическим красным смещением.
Слово «красное» не означает, что свет обязательно остаётся видимым красным. Он может пройти весь видимый диапазон и оказаться далеко за его пределами. Наш глаз тогда не увидит ничего, хотя подходящий инфракрасный детектор зарегистрирует фотоны.
3. Не совсем тот же эффект, что у поезда
Есть знакомая аналогия со звуком сирены. Когда машина удаляется, звуковые волны приходят растянутыми, а тон кажется ниже. У света движение источника тоже вызывает доплеровское смещение: удаление сдвигает спектр к более длинным волнам.
Но для очень далёких галактик важен космологический механизм. Галактика не просто летит через неподвижную пустоту, а увеличивается масштаб пространства между ней и нами. Свет растягивается вместе с этим пространством на всём долгом пути.
Существует ещё гравитационное красное смещение: фотон теряет энергию, выбираясь из сильного гравитационного поля. Все три явления могут менять наблюдаемую длину волны, но у далёких галактик основной эффект связан с расширением Вселенной.
4. Как измеряют растяжение
Атомы оставляют в спектре узнаваемые линии на строго определённых длинах волн. Это своего рода штрихкод химических элементов. Астрономы сравнивают положение линии в далёкой галактике с её лабораторным положением и вычисляют красное смещение.
Его обозначают буквой z. Если наблюдаемая длина волны вдвое больше исходной, z равно 1; если втрое — z равно 2. Чем больше z, тем сильнее растянулся свет, хотя перевод красного смещения в расстояние требует модели истории расширения.
Особенно важен так называемый лаймановский скачок. Нейтральный водород поглощает ультрафиолет короче определённой границы, поэтому в спектре далёкой галактики возникает резкий обрыв. По тому, куда этот обрыв сместился, исследователи находят кандидатов на очень ранние галактики.
Одних цветов изображения недостаточно для окончательного рекорда. Пыль, холодные звёзды или близкий объект другого типа могут имитировать нужную окраску. Надёжное красное смещение подтверждают спектроскопией, когда в спектре видны несколько согласованных особенностей.
5. Почему понадобился телескоп Webb
Телескоп Hubble превосходно работает в видимом и частично в ближнем инфракрасном диапазоне. Но свет самых ранних галактик смещён дальше, где его возможности ограничены. Поэтому James Webb проектировали прежде всего как инфракрасную обсерваторию.
Его приборы охватывают примерно от 0,6 до 28,8 микрометра: от красной части видимого света до среднего инфракрасного диапазона. Большое зеркало собирает крайне слабые сигналы, а огромный солнцезащитный экран помогает держать телескоп холодным. Это необходимо, потому что тёплый прибор сам светился бы в инфракрасном диапазоне и заглушал далёкие объекты.
Инфракрасное зрение даёт и другое преимущество: длинные волны лучше проходят сквозь космическую пыль. Поэтому Webb изучает не только древние галактики, но и области рождения звёзд, протопланетные диски и атмосферы экзопланет. Не вся его инфракрасная астрономия связана с красным смещением.
6. Что говорит наука
Подтверждено: Вселенная расширяется, а спектральные линии далёких галактик систематически смещены к большим длинам волн. NASA и ESA указывают космологическое красное смещение как главную причину, по которой ультрафиолетовый и видимый свет ранних галактик приходит к нам в инфракрасном диапазоне.
Подтверждено и то, что красное смещение можно измерять по спектрам. Именно спектроскопические данные позволяют оценивать эпоху, химический состав, звездообразование и движение газа. Фотометрические оценки по нескольким фильтрам полезны для отбора объектов, но могут пересматриваться после точного спектра.
Наиболее вероятная космологическая интерпретация опирается на общую теорию относительности и измеренную историю расширения. При этом отдельные параметры модели уточняются: разные методы не идеально согласуются по нынешней скорости расширения. Это научная проблема, но не сомнение в самом существовании красного смещения.
Гипотезы начинаются там, где по инфракрасному свету пытаются восстановить свойства самых первых звёзд и темп формирования галактик. Webb уже показал, что некоторые ранние системы ярче и развитее, чем ожидали простые модели, однако это не отменяет расширение — это заставляет улучшать теорию роста галактик.
7. Итог
Почему же свет самых далёких галактик стал инфракрасным? Не потому, что галактики изменили цвет, а потому, что пространство растянуло волны за миллиарды лет пути. Webb видит невидимое для глаза прошлое именно потому, что космос сам перевёл древний свет в инфракрасный диапазон.
Поделитесь в комментариях, какой инструмент Webb стоит разобрать подробнее.
