Ilgą laiką ankstyvosios Visatos istorija atrodė gana paprasta: pirmiausia atsiranda mažos, jaunos galaktikos, spinduliuojančios daugiausia ultravioletinėje srityje, nes jos dar nespėjo prisigaminti daug dulkių. Tik vėliau, kai kelios žvaigždžių kartos vandenilį ir helį paverčia sunkesniais cheminiais elementais, prasideda dulkių gausiai prisotintų galaktikų era. Jose didžioji dalis naujų žvaigždžių gimsta tarsi už širmos – pasislėpusios nuo regimojo diapazono stebėtojų, nes šviesa sugeriama ir perrūšiuojama į infraraudonąją spinduliuotę.
Tačiau iš labai gilių stebėjimų ryškėja kitoks, daug sudėtingesnis ir įdomesnis paveikslas: ties pačia stebimojo kosmoso riba matomos dešimtys labai tolimų, silpnų, bet aiškiai dulkėtų galaktikų. Ši populiacija tokia gausi, kad ima keisti statistiką, o kartu – ir išvadas apie tai, kokiu tempu ankstyvojoje Visatoje formavosi pirmosios struktūros.
Nauja dulkėtų galaktikų populiacija
Jaunas galaktikas ankstyvojoje Visatoje lengviausia aptikti per jų ryškią ultravioletinę spinduliuotę. Tai karštos, masyvios, trumpaamžės žvaigždės, o dulkių jose paprastai nedaug, todėl UV fotonai gali gana laisvai pasprukti į kosmosą. Problema ta, kad tokia paieškos strategija iš esmės iškelia į pirmą planą „švarias“ galaktikas ir ignoruoja tas, kurios labiau primena kosmines plieno gamyklas – intensyviai kuriančias naujas žvaigždes, bet turinčias tiek daug dulkių, kad ultravioletinė šviesa sugeriama ir perskirstoma į infraraudonąją bei submilimetrinę spinduliuotę.
Jau aptikta naujoji galaktikų grupė atrodo būtent kaip ši „antroji medalio pusė“. Tai labai tolimos, silpnos galaktikos, kurias lengva praleisti pro akis, jei žiūrima tik „klasikinėmis akimis“, t. y. regimajame ir artimojoje infraraudonojoje šviesoje. Ir vis dėlto jų signalas tose bangų srityse, kuriose švyti dulkės, išduoda intensyvius procesus jų viduje – pirmiausia spartų naujų žvaigždžių gimimą, kuris šildo dulkių grūdelius.
Svarbu ir tai, kad šios galaktikos priklauso epochai, kai Visatai buvo mažiau nei milijardas metų. Tokiu laiko masteliu bet kokia dulkių ir sunkesnių elementų priemaiša veikia tarsi laikrodis: ji rodo, kad dar anksčiau turėjo vykti gausus žvaigždžių formavimasis, šių žvaigždžių evoliucija ir jų „pelenų“ išmetimas į tarpžvaigždinę terpę.
Kaip aptiktas kosminis dulkių šydas Visatos paribyje?
Tokių galaktikų aptikimas – tai komandinis darbas, nes joks pavienis teleskopas nepateikia viso vaizdo. Submilimetrinių bangų stebėjimai leidžia pamatyti, kad kažkur toli švyti dulkės, tačiau be patikimai nustatyto atstumo sunku spręsti, ar žiūrima į labai tolimą objektą, ar į artimesnę, bet neįprastą galaktiką. Tuo tarpu infraraudonieji teleskopai puikiai fiksuoja labai ankstyvas galaktikas, tačiau dulkės gali jų šviesą prislopinti tiek, kad ji paskęsta triukšme.
Pritaikius šiuos metodus kartu, iš pradžių submilimetrinėse bangose atrinkti šimtai dulkių gausių objektų, o tada, juos „persijojus“ pagal infraraudonųjų duomenų kriterijus, atsirado nedidelė, bet išskirtinai įdomi kandidatų grupė – kelios dešimtys galaktikų, kurios, panašu, yra ne tik ypač ankstyvos, bet ir ryškiai prisotintos dulkių.
Toks požiūris turi dar vieną svarbią pasekmę: jis priverčia iš naujo įvertinti stebėjimų atrankos šališkumą. Jei anksčiau matėme daugiausia „švarias“ galaktikas, tai nebūtinai todėl, kad kitokios neegzistavo. Gali būti, kad tiesiog neturėjome tinkamų įrankių joms aptikti. O kai keičiasi įrankis, keičiasi ir epochos, kurią bandome aprašyti, vaizdas – dažnai labiau, nei leidžia mūsų įprasti scenarijai.
Kodėl taip anksti atsiradusios dulkės ir kelia klausimų, ir žavi?
Dulkės galaktikoje neatsiranda iš niekur. Tai šalutinis žvaigždžių gyvenimo produktas – medžiaga, kurią į aplinką išmeta masyvios žvaigždės, jų supernovų sprogimai, o vėliau ir senesnės, ramesnės žvaigždžių populiacijos. Kitaip tariant, kad galaktikoje susidarytų gausios dulkių atsargos, ji turi būti jau praėjusi bent vieną intensyvaus žvaigždžių formavimosi ciklą, kurio metu dujos smarkiai „perdirbamos“ ir išbarstomos.
Labai jaunoje Visatoje laikas yra pagrindinis išteklius. Jei šios galaktikos iš tiesų yra tokios tolimos ir tokio ankstyvo laikotarpio, o jose jau esama daug dulkių, tai reiškia, kad žvaigždžių formavimasis galėjo prasidėti anksčiau, vykti sparčiau ir efektyviau, nei buvo įprasta manyti. Jei susiformavo sunkesni cheminiai elementai, vadinasi, turėjo greitai įsijungti ir kosminė chemija, leidžianti iš šių elementų sudaryti dulkių grūdelius ir užtikrinti, kad jie išliktų gana atšiauriomis jaunų galaktikų sąlygomis.
Reikėtų pabrėžti ir tai, kad kosminės dulkės – ne vienalytė medžiaga, o visa įvairių sudėčių ir dydžių grūdelių šeima. Pats faktas, kad chemiškai skurdžiose aplinkose dulkės vis tiek gali susidaryti, vis geriau matomas stebėjimuose, kuriuose analizuojamos artimesnės, ankstyvajai Visatai artimos sąlygos. Tai stiprina mintį, jog gamta sugeba pradėti intensyviai gaminti dulkes anksčiau, nei buvo numatoma senesniuose modeliuose – mums tereikėjo išmokti, kaip ir kur jų ieškoti.
Kaip tai keičia pasakojimą apie pirmąjį Visatos milijardą metų?
Jei taip anksti iš tiesų egzistavo gausi dulkėtų galaktikų populiacija, keičiasi jaunosios Visatos energijos balansas ir žvaigždžių formavimosi „biudžetas“. Iki šiol pakakdavo suskaičiuoti, kiek žvaigždžių gimsta pagal tai, kiek UV šviesos matome. Tačiau dulkės veikia kaip uždanga: dalis paties intensyviausio žvaigždžių kūrimo darbo galėjo vykti už šios „užuolaidos“, o mes matėme tik švaresnius, mažiau dulkėtus to proceso veidus.
Tai svarbu ir Visatos rejonizacijos epochai – laikui, kai pirmųjų šviesos šaltinių spinduliuotė pavertė kosminį vandenilį jonizuotu. Jei dalis ankstyvųjų galaktikų buvo stipriai prisotintos dulkių, jos galėjo sulaikyti dalį jonizuojančios spinduliuotės, kuri kitu atveju pabėgtų į tarpgalaktinę erdvę. Toks scenarijus išryškina paslėptas, sudėtingas struktūras ir mažina paprastų formulių, kuriose „daugiau žvaigždžių reiškia daugiau jonizuojančios šviesos“, patogumą.
Galiausiai kyla viliojanti mintis, kad šie objektai gali būti pereinamasis etapas tarp labai ryškių, audringai žvaigždes formuojančių galaktikų ir tų, kurios netikėtai anksti „subrendo“, aprimo ir perėjo į ramesnę būseną. Toks evoliucijos grandinės vaizdas sujungtų kelis, iš pirmo žvilgsnio nesusijusius, stebėjimus į vientisą istoriją: greitas startas, daug dulkių, spartus brendimas ir ne mažiau spartus žvaigždžių gimimo tempo sulėtėjimas.
