Tymczasem z głębokich obserwacji wynurza się obraz mniej grzeczny, a znacznie ciekawszy: przy samym brzegu obserwowalnego kosmosu widać dziesiątki bardzo odległych, słabych, ale wyraźnie zapylonych galaktyk. To populacja na tyle liczna, że zaczyna zmieniać statystykę, a z nią – wnioski o tempie budowania pierwszych struktur.
Nowa populacja galaktyk pyłowych
Wczesne galaktyki, które wykrywa się najłatwiej, świecą jasno w ultrafiolecie: to młode, gorące gwiazdy, a pyłu jest tam zwykle mało, więc promieniowanie ucieka bez większych przeszkód. Problem w tym, że taka metoda z definicji faworyzuje obiekty czyste i pomija te, które pracują jak huty – produkują gwiazdy intensywnie, ale w środku mają tyle pyłu, że UV zostaje wchłonięte i zamienione w promieniowanie podczerwone i submilimetrowe.
Nowo zauważona grupa wygląda właśnie jak taka druga strona medalu: galaktyki, które są dalekie, słabe na tle nieba i łatwe do przegapienia, jeśli patrzy się tylko klasycznymi oczami. A jednak ich sygnał w falach, na których świeci pył, zdradza intensywne procesy wewnątrz – głównie szybkie tworzenie nowych gwiazd, które ogrzewają ziarenka pyłu.
Kluczowe jest też to, że mówimy o obiektach z epoki, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat. W tej skali czasu każda domieszka pyłu i cięższych pierwiastków działa jak zegar: pokazuje, że gdzieś wcześniej musiało dojść do masywnego formowania gwiazd, ich ewolucji i wyrzucania popiołu do ośrodka międzygwiazdowego.
Jak złapano kosmiczny pył na granicy widzialnego świata?
Wykrywanie takich galaktyk to gra zespołowa, bo pojedyncze obserwatorium widzi tylko fragment prawdy. Dane submilimetrowe potrafią wskazać, że coś tam świeci pyłem, ale bez pewnego określenia odległości trudno powiedzieć, czy patrzymy na bardzo odległy obiekt, czy na coś bliższego, tylko nietypowego. Z kolei obserwacje w podczerwieni świetnie łapią bardzo wczesne galaktyki, ale pył potrafi je przytłumić i schować w szumie.
W tej układance najpierw wyłowiono setki obiektów bogatych w pył w obserwacjach submilimetrowych, a potem przesianie przez dane w podczerwieni pozwoliło wskazać grupę kandydatów najdalszych i najciekawszych. Dopiero połączenie tych perspektyw dało listę kilkudziesięciu galaktyk, które wyglądają na naprawdę bardzo wczesne, a przy tym wyraźnie zapylone.
To podejście ma dodatkową zaletę: zmusza do myślenia o selekcji. Jeśli wcześniej widzieliśmy głównie czyste galaktyki, to niekoniecznie dlatego, że inne nie istniały. Być może po prostu nie mieliśmy odpowiednich narzędzi, by je wyłowić. A kiedy zmienia się narzędzie, zmienia się też obraz epoki, którą opisujemy – czasem bardziej niż lubią to przyjmować nasze schematy.
Dlaczego pył tak wcześnie jest kłopotliwy i fascynujący?
Pył w galaktyce nie bierze się znikąd. To produkty uboczne życia gwiazd: materiał wyrzucany przez masywne gwiazdy, supernowe, a później także starsze, spokojniejsze populacje. Innymi słowy, żeby mieć sporo pyłu, trzeba mieć za sobą przynajmniej jedno intensywne pokolenie gwiazd, które zdążyło przepracować gaz i rozrzucić go z powrotem.
W bardzo młodym Wszechświecie tempo jest wszystkim. Jeśli te galaktyki faktycznie są tak odległe i już zawierają zauważalne ilości pyłu, to oznacza, że formowanie gwiazd mogło ruszyć wcześniej, szybciej i sprawniej, niż w wielu popularnych obrazach. A skoro powstały cięższe pierwiastki, to musiała też szybciej zadziałać chemia, która w ogóle umożliwia tworzenie ziaren pyłu i ich przetrwanie w brutalnym środowisku młodych galaktyk.
Warto tu podkreślić jeszcze jedną rzecz: pył to nie jednolita substancja, tylko cała rodzina ziaren o różnych składach. Sam fakt, że w ubogich chemicznie środowiskach pył potrafi powstawać, jest coraz lepiej widoczny w obserwacjach bliższych analogów wczesnego kosmosu. To wzmacnia tezę, że natura umie produkować pył wcześniej, niż kiedyś zakładano – tylko musieliśmy nauczyć się, gdzie go szukać.
Co to zmienia w opowieści o pierwszym miliardzie lat?
Jeżeli rzeczywiście istniała liczna populacja galaktyk zapylonych tak wcześnie, to zmienia się bilans energii i budżet gwiazdotwórczy w młodym Wszechświecie. Do tej pory łatwo było policzyć, ile gwiazd powstaje na podstawie tego, co widać w ultrafiolecie. Tyle że pył działa jak zasłona: część najbardziej intensywnej produkcji gwiazd mogła odbywać się za kurtyną, a my widzieliśmy tylko jej jaśniejsze, mniej zapylone odpowiedniki.
To ważne również w kontekście rejonizacji, czyli epoki, gdy promieniowanie pierwszych źródeł przełączyło wodór we Wszechświecie w stan zjonizowany. Jeśli część wczesnych galaktyk była mocno zapylona, to mogły one zatrzymywać część promieniowania, które w innym scenariuszu uciekałoby w przestrzeń kosmiczną. W takim obrazie rośnie rola tego, co ukryte i złożone, a maleje komfort prostych przeliczeń typu im więcej gwiazd, tym więcej jonizującego światła na zewnątrz.
Pojawia się też kusząca możliwość, że te obiekty są etapem przejściowym między bardzo jasnymi, gwałtownie formującymi gwiazdy galaktykami a tymi, które już w zaskakująco wczesnych czasach potrafiły zgasnąć i przejść w stan spokojniejszy. Taki łańcuch ewolucji spinałby kilka pozornie rozłącznych obserwacji w jedną narrację: szybki start, dużo pyłu, szybkie dojrzewanie i równie szybkie wyhamowanie.