Ilgą laiką ankstyvosios Visatos istorija atrodė gana paprasta: pirmiausia atsiranda mažos, jaunos galaktikos, spinduliuojančios daugiausia ultravioletinėje srityje, nes jos dar nespėjo sukaupti daug dulkių. Tik vėliau, kelioms žvaigždžių kartoms vandenilį ir helį „perdirbus“ į sunkesnius cheminius elementus, prasideda dulkių gausiai prisotintų galaktikų era. Jose didžioji dalis naujų žvaigždžių gimsta tarsi už širmos – pasislėpusios nuo regimojo diapazono stebėtojų, nes šviesa sugeriama ir perskirstoma į infraraudonąją spinduliuotę.
Vis dėlto itin gilūs stebėjimai piešia kitokį, daug sudėtingesnį ir įdomesnį vaizdą: ties pačia stebimojo kosmoso riba matomos dešimtys labai tolimų, silpnų, bet aiškiai dulkėtų galaktikų. Ši populiacija tokia gausi, kad ima keisti statistinius įverčius, o kartu – ir išvadas apie tai, kokiu tempu ankstyvojoje Visatoje formavosi pirmosios struktūros.
Nauja dulkėtų galaktikų populiacija
Jaunas galaktikas ankstyvojoje Visatoje lengviausia aptikti pagal jų ryškią ultravioletinę spinduliuotę. Ją daugiausia skleidžia karštos, masyvios ir trumpaamžės žvaigždės, o dulkių tokiose galaktikose paprastai būna nedaug, todėl UV fotonai gali gana laisvai pasklisti į kosmosą. Tačiau tokia paieškos strategija iš esmės iškelia į pirmą planą „švaresnes“ galaktikas ir nustumia į šalį tas, kurios primena kosmines plieno gamyklas: jos intensyviai kuria naujas žvaigždes, bet turi tiek daug dulkių, kad ultravioletinė šviesa sugeriama ir perrūšiuojama į infraraudonąją bei submilimetrinę spinduliuotę.
Naujoji aptikta galaktikų grupė panaši būtent į šią „antrąją medalio pusę“. Tai labai tolimos, silpnos galaktikos, kurias lengva praleisti, jei stebima tik „klasikinėmis akimis“, t. y. regimajame ir artimojoje infraraudonojoje šviesoje. Vis dėlto jų signalas tose bangų srityse, kuriose švyti dulkės, atskleidžia intensyvius procesus jų viduje – pirmiausia spartų žvaigždėdaros tempą, šildantį dulkių grūdelius.
Svarbu ir tai, kad šios galaktikos priklauso epochai, kai Visatai buvo mažiau nei milijardas metų. Tokiu laiko masteliu bet koks dulkių ir sunkesnių elementų gausėjimas veikia tarsi laikrodis: jis rodo, kad dar anksčiau turėjo vykti gausus žvaigždžių formavimasis, jų evoliucija ir „pelenų“ išmetimas į tarpžvaigždinę terpę.
Kaip aptiktas kosminis dulkių šydas Visatos paribyje?
Tokių galaktikų aptikimas – komandinis darbas, nes nė vienas pavienis teleskopas nepateikia viso vaizdo. Submilimetrinių bangų stebėjimai leidžia pamatyti, kad kažkur toli švyti dulkės, tačiau be patikimai nustatyto atstumo sunku spręsti, ar stebimas labai tolimas objektas, ar artimesnė, bet neįprasta galaktika. Infraraudonieji teleskopai puikiai fiksuoja labai ankstyvas galaktikas, tačiau dulkės gali jų šviesą prislopinti tiek, kad ji paskęsta triukšme.
Derinant šiuos metodus, iš pradžių submilimetrinėse bangose atrenkami šimtai dulkių gausių objektų, o vėliau, juos „persijojus“ pagal infraraudonųjų duomenų kriterijus, išryškėja nedidelė, bet išskirtinai įdomi kandidatų grupė – kelios dešimtys galaktikų, kurios, panašu, yra ne tik ypač ankstyvos, bet ir ryškiai prisotintos dulkių.
Toks požiūris turi ir dar vieną svarbią pasekmę: jis verčia iš naujo įvertinti stebėjimų atrankos šališkumą. Jei anksčiau matėme daugiausia „švarias“ galaktikas, tai nebūtinai todėl, kad kitokių nebuvo. Gali būti, jog tiesiog neturėjome tinkamų įrankių joms aptikti. O kai keičiasi įrankiai, keičiasi ir epochos, kurią bandome aprašyti, vaizdas – neretai labiau, nei leistų manyti 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, per kurį dujos smarkiai „perdirbamos“ ir praturtinamos sunkesniais elementais.
Labai jaunoje Visatoje laikas yra pagrindinis išteklius. Jei šios galaktikos iš tiesų tokios tolimos ir priklauso tokiam ankstyvam laikotarpiui, o jose jau gausu 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.
Verta pabrėžti ir tai, kad kosminės dulkės nėra vienalytė medžiaga – tai įvairių sudėčių ir dydžių grūdelių šeima. Pats faktas, jog chemiškai skurdžiose aplinkose dulkės vis tiek gali susidaryti, vis aiškiau matomas ir stebint artimesnes sistemas, kuriose sąlygos panašios į ankstyvosios Visatos. Tai stiprina mintį, kad gamta sugeba pradėti intensyviai „gaminti“ dulkes anksčiau, nei numatė senesni modeliai – 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 dažnai pakakdavo įvertinti, kiek žvaigždžių gimsta, pagal tai, kiek ultravioletinės šviesos matome. Tačiau dulkės veikia kaip uždanga: dalis paties intensyviausio žvaigždžių kūrimo galėjo vykti už šios „užuolaidos“, o mes stebėjome tik švaresnius, mažiau dulkėtus to proceso pavidalus.
Tai svarbu ir rejonizacijos epochai – laikui, kai pirmųjų šviesos šaltinių spinduliuotė jonizavo kosminį vandenilį. Jei dalis ankstyvųjų galaktikų buvo smarkiai prisotintos dulkių, jos galėjo sulaikyti dalį jonizuojančios spinduliuotės, kuri kitu atveju pasiektų tarpgalaktinę erdvę. Toks scenarijus išryškina paslėptą ankstyvosios Visatos sudėtingumą ir silpnina patogią, bet pernelyg supaprastintą logiką, kad „daugiau žvaigždžių automatiškai reiškia daugiau jonizuojančios šviesos“.
Galiausiai kyla viliojanti mintis, jog šie objektai gali būti pereinamoji stadija tarp itin 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.
