В данных космической обсерватории им. Джеймса Уэбба учёные обнаружили трёх «Красных монстров» — три сверхмассивных для своего времени галактики, скорость формирования которых выходит за рамки современной космологии. Выборка небольшая, но она заставляет искать новые признаки нашего неточного понимания природы формирования звёзд и галактик на ранних этапах жизни Вселенной.

Источник изображения: University of Geneva

Международная группа учёных во главе с астрономами из Женевского университета (UNIGE) использовала собранные «Уэббом» данные по галактикам на красных смещениях от z=5 до z=9. Для этих значений возраст Вселенной составлял 1–1,5 млрд лет. По причине ускоренного разлёта звёзд и галактик во Вселенной длина волны фотонов становится длиннее и уходит во всё более красную область, что можно определить по спектральным измерениям. «Уэбб» как раз специализируется на таком. Тем самым он позволяет с приемлемой точностью определить расстояния до объектов и их массу.

Учёные отобрали для углублённого анализа 36 далёких массивных, пыльных, звездообразующих галактик. Из этого числа 33 галактики укладывались в рамки современных представлений о скорости их формирования, однако три вышли далеко за пределы моделей. За эту уникальность и сверхбольшую массу эти три объекта назвали «Красными монстрами». Расчёты показали, что для достижения наблюдаемых масс скорость рождения звёзд в них должна была быть на 50 % больше предсказываемой.

Нельзя исключать, что в данные наблюдений могли вкрасться ошибки. И всё же, учёные не исключают возможности, что в ранней Вселенной могли складываться условия для ускорения процессов рождения звёзд. Пока фактического материала недостаточно, чтобы потрясти основы современной космологии. Формируется лишь намёк на неполноту знаний о процессах и явлениях в ранней Вселенной. «Уэбб» вряд ли станет тем инструментом, который не оставит камня на камне на предыдущих воззрениях, но сомнения он заронил, а в науке нет ничего ценнее критики и здорового скептицизма.

Во время солнечных затмений мы видим солнечную корону — яркий ореол вокруг Луны, заслоняющей в такие моменты Солнце. Это светится разреженная внешняя атмосфера звезды с плотностью вакуума и температурой в миллионы градусов — корона Солнца. У чёрных дыр должна быть своя корона, но увидеть её практически нереально, зато возможно обнаружить её присутствие и определить форму.

Художественное представление диска аккреции у чёрной дыры. Источник изображения: NASA

Поиски короны чёрной дыры помогут в определении типов квазаров — активных ядер галактик. Чёрная дыра — это не тот объект, который можно рассматривать в телескоп и делать заключения об увиденном. Строго говоря, чёрные дыры — это всё ещё гипотеза. Неслучайно при присуждении Нобелевской премии по физике в 2020 году за открытие чёрной дыры в центре нашей галактики комитет осторожно написал об открытии «компактного астрофизического объекта», а не о чёрной дыре. Корона чёрной дыры — это ещё более эфемерное явление, чем существование самих чёрных дыр.

Где же у чёрных дыр корона? Известно, что чёрные дыры окружены веществом, которое формирует форму диска или тора в плоскости вращения дыры. Чем ближе вещество к горизонту событий чёрной дыры, тем быстрее оно вращается в диске и тем сильнее нагревается от трения и гравитации. Это уже зона аккреции, из которой вещество падает на чёрную дыру. И где-то на его внутреннем краю вещество превращается в нагретую до миллиардов градусов плазму. Эта сверхразогретая плазма и есть корона чёрной дыры. Другое дело, что обнаружить её и определить форму оказалось непросто.

Если диск аккреции направлен на нас своей плоскостью, то излучение короны в виде рентгеновских лучей теряется в общем излучении чёрной дыры (фактически — в излучении диска аккреции, ведь горизонт событий чёрной дыры никакой свет не покидает). При взгляде на диск аккреции сбоку свет от его центральной области блокируется более холодным веществом по краям. Но, как оказалось, не в случае короны чёрной дыры. Рентгеновское излучение от плазмы короны оказалось способным переотражаться в «бублике» газопылевого диска вокруг чёрной дыры таким образом, чтобы добираться до земного наблюдателя даже при взгляде с торца.

Учёные изучили дюжину таких «затемнённых» чёрных дыр, включая Cygnus X-1 и X-3 в Млечном Пути и LMC X-1 и X-3 в Большом Магеллановом Облаке, подняв данные обсерватории NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), и выяснили, что во всех случаях геометрия и поведение короны у чёрных дыр совпадают. Исходя из этого, геометрия и физика короны должна быть одинаковой как у чёрных дыр звёздной массы, так и у сверхмассивных чёрных дыр. Это означает, что можно собрать больше данных, в том числе, о квазарах, которые, как правило, слишком яркие, что само по себе является помехой для их изучения и любой новый способ исследования будет полезен.

Франко-швейцарская группа учёных попыталась на фактическом материале проверить верность уравнений Эйнштейна, описывающих Вселенную. Для этого они воспользовались данными обзора Dark Energy Survey за первые три года наблюдений. Анализ влияния 100 млн галактик на пространство-время дал отклонения от предсказаний Эйнштейна на 3 сигма, чего недостаточно для открытия, но хватило для зарождения сомнений в верности уравнений великого учёного.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Как предсказал в 1915 году Эйнштейн, гравитация — это нечто большее, чем сила всеобщего тяготения, о чём говорил Ньютон и его законы. В 1919 году в ходе прямого измерения отклонения света звёзд Солнцем (его гравитацией) уравнения Эйнштейна были подтверждены наблюдением. С тех пор только ленивые учёные не пытаются опровергнуть Альберта Эйнштейна, который ввёл в метрику гравитации искажение не только пространства, но и времени. Пока уравнения Эйнштейна, являющиеся частью Общей теории относительности, остаются незыблемыми.

Исследователи из университетов Женевы (UNIGE) и Тулузы (III университет имени Поля Сабатье) воспользовались первыми данными обзора Dark Energy Survey, чтобы проверить уравнения Эйнштейна с помощью наблюдений за 100 млн галактик. Данные получены по объектам на удалении 3,5, 5, 6 и 7 млрд лет назад. По словам учёных, это первый анализ данных о влиянии масс галактик одновременно на пространство и время.

Согласно теории Эйнштейна, материя создаёт искривление пространства-времени тем больше, чем больше масса. Обычно это иллюстрируют помещением тяжёлого шара на эластичную поверхность, которую тот продавливает тем сильнее, чем он тяжелее — это принято называть гравитационными колодцами. Следует лишь помнить, что материя искажает пространство во всех направлениях в трёх измерениях, поэтому колодец на самом деле — это, скорее, шар или шарообразный объём в пространстве-времени. Но это детали. Из уравнений Эйнштейна можно рассчитать, насколько свет преломится — произойдёт гравитационное линзирование, когда он минует скопления масс. И если в этих расчётах появится отклонение от наблюдаемых, то Вселенная может оказаться совсем не такой или не везде такой, как предсказывал Эйнштейн.

Из данных Dark Energy Survey учёные вывели, что на удалении 6 и 7 млрд лет от нас уравнения Эйнштейна, можно сказать, безупречны. На удалении 3,5 и 5 млрд лет от нас появились отклонения между наблюдениями и расчётами. Отклонения составили 3 сигма, тогда как значимым результатом принято считать отклонения в 5 сигма. По мнению исследователей, существенные отклонения результатов наблюдений от предсказаний заставляют усилить интенсивность работ на этом направлении. Отличия стали наблюдаться на этапе, когда Вселенная начала ускоренно расширяться. «Гравитационные колодцы» на этом отрезке стали мельче — гравитация стала слабее проявлять себя.

За ускоренное расширение Вселенной отвечает тёмная энергия — неизвестная субстанция или свойство Вселенной, а может быть, даже, гравитация, раз изменения начали наблюдаться в связи друг с другом. Уравнения Эйнштейна описывают нашу Вселенную (Вселенная Фридмана) и любые другие версии Вселенных. Обнаружение в них изъяна стало бы открытием огромного значения и помогло бы ответить на много вопросов об устройстве мироздания.

Не всем звёздам везёт обзавестись собственным выводком планет. Во Вселенной могут сложиться условия, при которых протопланетные диски рассеиваются быстрее, чем появляется возможность сформироваться планетам. Это хорошо иллюстрирует звёздная ассоциация Лебедь OB2 (Cygnus OB2), за которой наблюдала группа астрономов. В зависимости от окружения протопланетные диски сохранились у 1–40 % молодых звёзд, хотя все они одного возраста.

Область Лебедь OB2, где фиолетовым показано свечение в рентгене, а остальное в инфракрасном свете. Источник изображения: NASA

Звёздная ассоциация Лебедь OB2 находится примерно в 4600 световых годах от Земли. Это не звёздное скопление, поскольку большинство звёзд не связаны гравитацией и со временем разлетятся по галактике (в скоплениях звёзды удерживаются гравитацией вместе). Население ассоциации представлено в основном молодыми и горячими звёздами, вокруг каждой из которых должен иметься протопланетный диск. Звёзды сами образовались из такого диска, и что-то, а зачастую очень много, всегда остаётся лишним.

В то же время насыщенность пространства в области Лебедь OB2 молодыми звёздами создаёт некомфортные условия для планетообразующих дисков. Интенсивное излучение в ультрафиолете и рентгеновском диапазоне заставляет вещество дисков испаряться и уноситься прочь. Это явление называется фотоиспарением: газ в протопланетном диске нагревается и ионизируется, а внутреннее давление излучения от звезды выталкивает его из диска.

В обычных условиях звёзды типа нашего Солнца могут развеять протопланетный диск за 5–10 млн лет. Горячие и яркие звёзды классов O и B делают это за более короткий промежуток времени, не оставляя, как показывает новое исследование, шансов для образования планет.

Учёные создали составное изображение области Лебедь OB2 из снимков космической рентгеновской обсерватории «Чандра» (Chandra) и инфракрасной «Спитцер» (Spitzer). «Чандра» показывает области с интенсивным рентгеновским излучением, а «Спитцер» выявляет пыль (диски) и звёзды.

Анализ изображения показал, что менее массивные звёзды в ассоциации, находящиеся в менее плотном окружении соседей, имеют протопланетные диски, которые были обнаружены у 40 % звёзд. Они не такие горячие, чтобы развеять пыль и газ вокруг себя. В более плотных звёздных группах протопланетные диски имелись только у 18 % звёзд. В самом экстремальном и плотном окружении протопланетные диски сохранились только у 1 % звёзд. Когда звёзд много, они яркие, горячие и расположены достаточно близко друг к другу, это не способствует образованию планет и зарождению жизни. Ещё одна монета в копилку знаний о том, где искать жизнь во Вселенной. Звёзд в ней так много, что наблюдательный ресурс нужно расходовать только после очень вдумчивого выбора.

В последние годы в ранней Вселенной открыто много сверхмассивных чёрных дыр (СЧД), которые не должны были успеть стать настолько большими ко времени наблюдения. Для них существует чисто физический предел по скорости поглощения массы, который они обычно не могут превзойти. Тем удивительнее было найти чёрную дыру, которая по скорости поглощения вещества превысила теоретический предел в 40 раз.

Художественное представление неумеренно питающейся чёрной дыры. Источник изображения: NSF NOIRLab

Открытие сделала группа астрономов из США (из обсерваторий Gemini и NSF NOIRLab). Используя для своих целей космическую обсерваторию им. Джеймса Уэбба они наблюдали некоторое количество галактик в ранней Вселенной по следам наблюдений рентгеновской обсерватории «Чандра». Эти галактики были тусклыми в оптике, но яркими в рентгене, что свидетельствует об активности чёрных дыр в их центрах.

Внимание учёных привлекла галактика LID-568. Точное расположение этого объекта помог установить спектрометр «Уэбба». Галактика LID-568 оказалась на расстоянии 1,5 млрд лет после Большого взрыва. Проведенные оценки показали, что в центре галактики находится активная сверхмассивная чёрная дыра массой 7,2 млн солнечных масс. Это сравнительно небольшая масса для СЧД. Удивило другое. Так называемый предел Эддингтона для этой чёрной дыры был превышен в 40 раз!

Когда на СЧД падает вещество, оно закручивается вокруг неё по спирали. Все чёрные дыры во Вселенной вращаются, поскольку возникли из вращающихся объектов. Чёрная дыра создаёт при этом вокруг себя вращение пространства-времени, заставляя всё падающее на неё также вращаться по сжимающейся спирали (сила гравитации действует в этой области также вбок, а не только в сторону центра).

Сила гравитации и трение, наиболее сильные ближе к чёрной дыре, разогревают вещество в диске аккреции до свечения во всех диапазонах электромагнитного излучения. Это излучение создаёт изнутри давление на падающее на СЧД вещество и не даёт ему падать на чёрную дыру сверх определённой скорости. Этот порог и есть предел Эддингтона (в общем случае он введён для звёзд, удерживающих свои внешние оболочки от падения на ядро), хотя этот порог на относительно короткое время может превышаться и тогда проявляется сверхэддингтоновский эффект, когда темп аккреции значительно превышает эддингтоновский предел.

Похоже, учёные наткнулись на СЧД LID-568 в тот редкий момент, когда она потребляла вещество в режиме сверхэддингтоновского предела. Поэтому дальнейшие наблюдения за этим объектом могут принести массу открытий в эволюции чёрных дыр. Для учёных стало загадкой, как СЧД в ранней Вселенной смогли отъесться до настолько больших регистрируемых масс. К такому могла привести ситуация, когда первые чёрные дыры возникали непосредственно из коллапса облаков материи либо из невероятно огромных первых звёзд (ни одно, ни другое не наблюдалось).

Превышение эддингтоновского предела также может дать ответ на невероятную скорость откорма СЧД. Открытие галактики LID-568 в этом плане стало настоящей находкой.

Квазары — это активные ядра галактик, представляющие собой сверхмассивные чёрные дыры, которые непрерывно поглощают падающее на них вещество. Как же удивились учёные, когда в ранней Вселенной космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил квазары без регистрируемого окружения из вещества. Такое просто невозможно, чтобы сияние квазаров через миллиарды лет наблюдалось и возникло в полной пустоте.

Художественное представление квазара. Источник изображения: NASA/JPL–Caltech

«Вопреки предыдущему мнению, мы обнаруживаем, что в среднем эти квазары не обязательно находятся в областях ранней Вселенной с наибольшей плотностью. Некоторые из них, кажется, находятся неизвестно где, — поделилась в заявлении доцент физики Массачусетского технологического института Анна-Кристина Эйлерс (Anna-Christina Eilers). — Трудно объяснить, как эти квазары могли вырасти такими большими, если кажется, что им нечем питаться».

Современная космология предполагает, что космическая паутина из нитей тёмной материи и её сгустков в узлах способствовала концентрации обычного вещества и его превращению в звёзды, галактики и всё остальное. Сделанные с помощью обсерватории им. Джеймса Уэбба открытия вносят неопределённость в эти гипотезы и теории. «Уэбб» смог заглянуть на глубину до 13 и более миллиардов лет назад, когда материя во Вселенной образовала первые галактики, а эти галактики, а также сверхмассивные чёрные дыры в их центрах, оказались неожиданно большими. Согласно стандартной модели, они просто не успели бы эволюционировать до регистрируемых размеров.

Мало было этих проблем, как вскрылись новые. Учёные изучили пять самых ранних из открытых квазаров на этапе 600–700 млн лет после Большого взрыва. Исследователей волновал вопрос — чем они питаются, если стали такими большими уже на ранних этапах своей эволюции? Оказалось, что некоторые квазары вообще не имеют регистрируемого вещества в пределах своего «ареала обитания». Их яркость и аккрецию вещества вообще ничем нельзя объяснить. На целом ряде длин волн учёные не обнаружили признаков материи.

Логично было бы ожидать, что квазары в ранней Вселенной обнаруживаются в областях узлов тёмной материи, где много, например, видимых галактик. Но рядом с некоторыми из наблюдаемых квазаров было всего 2 галактики, а рядом с другими — 50 и более. Это говорит о том, что супермассивные чёрные дыры (квазары) выросли на неизвестном науке механизме эволюции, который ещё предстоит открыть. Не исключено, что новые наблюдения помогут зарегистрировать рядом с квазарами холодные скопления газа и пыли, но это всё равно плохо укладывается в современные космологические представления.

Европейское космическое агентство (ESA) опубликовало первый фрагмент космического атласа, полученного с помощью космической обсерватории «Евклид» (Euclid). Изображение соответствует всего одному проценту будущего каталога, в который в деталях войдут все видимые на глубину 10 млрд световых лет галактики, а на нём уже содержится 100 млн объектов — звёзд и галактик, 14 млн их которых уже можно использовать для поиска тёмной материи и тёмной энергии.

Источник изображения: ESA

«Евклид» собирает свет в оптическом и инфракрасном диапазонах. Поэтому он заглядывает сквозь облака газа и пыли, в деталях получая изображения галактик на огромную глубину. Форма и размеры галактик дадут представление о скоплениях и форме облаков и сгустков тёмной материи, которые, собственно, позволили сначала появиться звёздам, а потом и галактикам. Также на основе новых данных учёные получат лучшее представление о динамике расширения Вселенной на протяжении последних 10 млрд лет, что станет шагом к сбору данных о тёмной энергии, которая заставляет Вселенную ускоренно расширяться.

600-кратное увеличение области каталога с галактическим скоплением Abell 3381

Представленный фрагмент будущего атласа «Евклида» содержит данные 260 наблюдений, сделанных в период с 25 марта по 8 апреля 2024 года. Всего за две недели «Евклид» охватил 132 квадратных градуса южной части неба, что более чем в 500 раз превышает площадь неба, покрываемую полной Луной. В марте 2025 года будут опубликованы первые 53 квадратных градуса обзора. Данные обзора за первый год наблюдений опубликуют в 2026 году. Сбор данных продлится до 2030 года и охватит примерно треть неба. Но уже сейчас в данных «Евклида» достаточно информации, чтобы по его наблюдениям можно было начать работать.

Новая работа астрономов на базе наблюдений европейского астрометрического спутника «Гайя» (Gaia) вскрыла недооценку влияния на эволюцию Вселенной блуждающих звёзд. Исследование было направлено на оценку возможностей «Гайи» создавать 3D-карту не только Млечного Пути, но также соседних карликовых галактик за её пределами. Изучение звёзд в Большом Магеллановом Облаке обнаружило 55 «беглянок» и их существенный вклад в ионизацию окружающего газа.

Художественное представление убегающих звёзд. Источник изображения: Danielle Futselaar, James Webb Space Telescope

Исследователи наблюдали за одной из самых больших соседних зон звездообразования — туманностью Тарантул и, конкретно, изучали звёзды в относительно молодом скоплении R136. Это скопление интересно тем, что в нём обнаружена самая массивная из известных на сегодня звёзд (R136a1), масса которой превышает 200 масс Солнца. Самому скоплению примерно 2 млн лет. От Земли оно удалено на 158 тыс. световых лет. Собранные «Гайей» данные говорят, что из этого скопления прочь улетают как минимум 55 звёзд-гигантов.

Астрономы выделили две волны беглянок. Первая начинает отсчёт примерно через 200 тыс. лет после начала массового рождения звёзд в скоплении, а вторая — через 1,8 млн лет. Первая волна звёзд направлена во все стороны от центра скопления, что говорит об одном механизме запуска, тогда как вторая сформировала чётко направленный вектор в одном (северном) направлении. Учёные полагают, что первая волна звёзд получила ускорение, выбросившее их из родного скопления, в первые тысячи лет после рождения, когда в их орбитах был хаос. Вторую волну мог запустить эффект от слияния скопления R136 с другим скоплением, что произошло уже на этапе зрелости.

Данные по убегающим из скопления звёздам за 3 млн лет. Источник изображения: Mitchel Stoop / Nature 2024

По факту переоценки оказалось, что родное скопление покинули до трети самых массивных звёзд — это больше, чем предсказывают модели. Беглянки внесли измеряемый вклад в ионизацию газа как в туманности, так и за её пределами (уж на сколько успели отлететь): от 10 % внутри от числа самых ярких звёзд и до 20 % снаружи. До сих пор при прогнозировании эволюции Вселенной вклад звёзд-беглянок в реионизацию газа в первый миллиард лет после Большого взрыва никак не учитывался. Между тем этот фактор мог оказать существенное влияние на скорость развития звёзд, галактик и самой Вселенной.

Учёные Южной европейской обсерватории (ESO) с помощью радиотелескопа ALMA сделали удивительное открытие, которое бросает вызов нашему пониманию эволюции галактик. Всего в 700 млн лет от Большого взрыва они обнаружили галактику, своей структурой напоминающей наш Млечный Путь. Это самая далёкая спиральная галактика с вращающимся диском за всю историю наблюдений. Её там просто не должно было быть.

Источник изображения: ESO

Современная теория эволюции звёзд и галактик полагает, что из хаоса слияний этих объектов чёткая и упорядоченная структура с вращающимся диском получится лишь после нескольких миллиардов лет эволюции. Посмотрите на Млечный Путь! Этой галактике потребовалось 13,8 млрд лет, чтобы достичь гармонии в геометрии и движении. Благодаря телескопу «Джеймс Уэбб» открытия стали нарушать гармонию теорий. Например, год назад стало известно о «близняшке» Млечного Пути, обнаруженной через 2 млрд лет после Большого Взрыва. Новое открытие вскрыло ещё более вопиющую странность. Сформированная зрелая галактика с вращающимся диском обнаружена ещё на 1,3 млрд лет раньше.

Странная галактика получила название REBELS-25. Строго говоря, она обнаружена в данных ALMA (Атакамская большая антенная решётка миллиметрового диапазона) не сегодня. Но с момента обнаружения REBELS-25 учёные собрали достаточно доказательств, чтобы убедиться в своей правоте: REBELS-25 — это то, чем она кажется. Дополнительные исследования собрали доказательства, что эта галактика представляет собой самый удалённый вращающийся диск и развитую структуру с перемычкой из звёзд в центре и спиралевидными рукавами. Эта колоссальная структура не могла и не должна была стать такой, как мы её видим ко времени её наблюдения.

«Наблюдение галактики, имеющей такое сходство с нашим собственным Млечным Путём, в которой преобладает вращение, бросает вызов нашему пониманию того, как быстро галактики ранней Вселенной эволюционируют в упорядоченные галактики современного космоса», — сказала Люси Роуленд (Lucie Rowland), докторант Лейденского университета и первый автор исследования.

Новая работа астрономов проливает свет на загадку массового образования сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной. В нормальных условиях их скорость поглощения вещества не позволила бы им вырасти до наблюдаемых размеров. Альтернативные гипотезы также не объясняют это явление. По крайней мере, новая перепись сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной показала гораздо больше таких объектов, чем считалось ранее.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В новом исследовании с помощью наблюдений «Хаббла» (в отдельной работе это подтвердили наблюдения «Уэбба») астрономы искали сверхмассивные дыры (СЧД) и признаки их существования в первый миллиард лет после Большого взрыва. Так далеко (или так рано) сверхмассивные дыры обнаруживают себя лишь в виде квазаров — активных ядер галактик или, по сути, активно питающихся сверхмассивных чёрных дыр в их центрах.

Проблема в том, что так можно обнаружить далеко не все СЧД. Чёрные дыры могут питаться падающим на них веществом порциями и долгое время оставаться невидимыми на таких расстояниях, ведь в отсутствии аккреции они ничего не излучают. Именно это и обнаружили учёные, о чём они сообщили в статье в Astrophysical Journal Letters. Оказалось, что в ранней Вселенной было намного больше гораздо менее ярких чёрных дыр, чем предполагали предыдущие оценки. Важно, что это может помочь понять, как они образовались, и почему многие из них кажутся более массивными, чем ожидалось.

В новой работе учёные пришли к выводу, что в ранней Вселенной во много раз больше чёрных дыр большой массы, чем считалось ранее. Стандартная космологическая модель не допускает образования такого количества массивных зародышей чёрных дыр из коллапса облаков вещества. На это просто не хватило бы скоплений тёмной материи, которая обеспечила бы схлопывание вещества до рождения наблюдаемого количества массивных чёрных дыр или их зародышей. Тем самым учёные приходят к выводу, что механизм множественного образования сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной мог быть также другим.

Альтернативный или добавочный механизм появления зародышей сверхмассивных чёрных дыр учёные предлагают искать в некоторых первичных звёздах. Обычно звезда определённой массы после превращения в сверхновую схлопнула бы своё ядро до превращения в чёрную дыру. Но если в ядро первичной звезды попала бы тёмная материя, то это задержало бы возникновение ядерного синтеза на обычном этапе и позволило бы звезде набрать в тысячи раз большую массу. В итоге её ядро всё равно бы сжалось под действием гравитации и стало чёрной дырой. Но это была бы уже изначально массивная чёрная дыра, динамика питания которой уже хорошо ложится на известную нам эволюцию этих объектов.

В теории астрономы могут обнаружить подобные «тёмные» звёзды и даже застать их в процессе взрыва сверхновых, но это потребует усилий и скоординированных действий многих учёных.

Многолетняя адаптация для моделирования самых больших вселенских структур — так называемой космической паутины — алгоритма развития слизевика привела к несомненному успеху. Слизевики оказались настолько близки в развитии колоний к космической паутине, что это буквально открыло учёным глаза, обещая помочь разобраться с эволюцией Вселенной на всех этапах её развития.

Визуализация космической паутины. Источник изображения: Astrophysics

О своей работе учёные рассказали в свежем выпуске журнала Astrophysics. Они задались целью найти более точный алгоритм для моделирования космической паутины. Космическая паутина соткана из вещества и тёмной материи. Она формировалась и развивала свои структуры с самого начала зарождения Вселенной и продолжает делать это сейчас. Наиболее зрелые её части — это нити из тёмной материи, обычно вещества, галактик и скоплений галактик, соединяющие узлы из гигантских галактических скоплений, вещества и тёмной материи. Нити и узлы окружены огромными пустотами — войдами, где практически отсутствует как обычная, так и тёмная материя.

Группа учёных из Института астрофизики им. Макса Планка обратила внимание, что рост такого живого организма, как слизевик очень сильно напоминает структуру космической паутины. Это сложная колония бактерий, которая отчасти ведёт себя как гриб или плесень. Она питается, создаёт структуру и растёт, по сути, эволюционируя. Учёные адаптировали алгоритм роста слизевика для моделирования эволюции космической паутины и поразились, насколько точно он повторяет результаты наблюдений. Точность оказалась намного выше, чем в случае обычных для такого случая методов моделирования в физике.

Один из подвидов слизевиков. Источник изображения: Wikipedia

Уже с учётом новых моделей стало возможным сделать вывод, что в прошлом эволюция галактик сильнее зависела от близости к крупным образованиям во Вселенной — галактики при этом активнее росли. В ближней Вселенной или на недавних по шкале времени отрезках всё происходило с точностью до наоборот: чем ближе крупные структуры были к растущим галактикам, тем медленнее последние росли.

Новый инструмент на основе алгоритма роста колоний слизевиков обещает с большей точностью изучить этапы эволюции Вселенной и космической паутины в ней, опираясь на точные измерения количества газа и пыли в пространстве, которыми могли бы питаться слизевики нити космической паутины.

Известно, что потоки улетающего от чёрных дыр вещества и энергии (джеты) способны быстро лишить галактику-хозяйку питания для зарождения новых звёзд и дальнейшего роста. Но теперь сделано открытие, которое заставляет заподозрить джеты во влиянии на вселенские процессы. Учёные обнаружили джеты длиной в 23 млн световых лет — от таких струй изменится архитектура целых локальных участков Вселенной, а это уже инструмент для эволюции мироздания.

Художественное представление джетов из активной галактики в нити тёмной материи. Источник изображения: Caltech

Найденный астрономами Калифорнийского технологического института объект из пары джетов от активной галактики простирается примерно на 7 Мпк (мегапарсек). Это примерно как пять раз слетать туда и обратно в соседнюю с нами галактику Андромеда. Выброс вынес колоссальную энергию из сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики-хозяйки, сравнимую с энергией, выделяемой при столкновении галактических скоплений (10⁵⁵ Дж). В целом учёным повезло с обнаружением этого объекта. Он выявлен на пределе чувствительности наших приборов и если бы возник чуть раньше или был чуть слабее, то явление осталось бы незамеченным.

За свои размеры объект получил имя гиганта Порфириона (Porphyrion) из древнегреческой мифологии. Его джеты раскинулись на 6,4 Мпк. Истинные размеры джетов учёные оценили на уровне чуть более 7 Мпк, поскольку есть признаки того, что мы наблюдаем за ними под небольшим углом в нашу сторону. Сам объект был обнаружен в данных наблюдений радиотелескопа LOFAR за Северным полушарием. Их пропустили через систему машинного обучения и ручной отбор внештатных учёных. Всего было обнаружено свыше 11 тыс. джетов, которые были протяжённее одного Мпк.

Данные по Порфириону были проверены с помощью другого радиотелескопа — uGMRT и дополнены наблюдениями обсерватории Кека. Измерения и спектральный анализ показали, что вероятная галактика — источник джетов — находится на удалении 6,3 млрд лет от Большого взрыва. Струи вещества обычно выбрасываются из полюсов чёрной дыры, где их направляет и ускоряет её электромагнитное поле. Это естественный ускоритель частиц, который в данном случае разогнал вещество джетов (плазму) до скорости 0,012 от световой. Чтобы достичь наблюдаемых размеров струям пришлось путешествовать по Вселенной около 500 млн лет.

Изображение следов джетов в данных радиотелескопов (яркие области означают столкновения джетов с веществом)

Поскольку джеты сохранили форму и направление, учёные делают вывод, что, во-первых, породившая их чёрная дыра не меняла ось своего вращения и, во-вторых, что галактика-хозяйка окружена войдами (пустотами). Джеты не встречали на своём пути достаточно много вещества — газа и пыли — чтобы рассеяться. Это также означает, что галактика-хозяйка находилась в нити тёмной материи, которая как паутиной пронизывает и связывает всю Вселенную и является матрицей для формирования галактик.

С учётом небывалой протяжённости обнаруженных джетов, они могли стать переносчиком массы и энергии в соседние нити и, тем самым, были способны повлиять на основы формирования ткани самой Вселенной. Не исключено, что мы просто не видим всех подобных явлений, особенно на ранних этапах формирования мироздания, когда Вселенная явно была плотнее. Если таких объектов много и они возникают достаточно часто, вероятно придётся их учитывать для моделирования эволюции галактик и Вселенной. Но для этого пока не хватает данных, так что наблюдения будут продолжены.

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли заявили об открытии гравитационной линзы рекордной силы. Они обнаружили редчайшее расположение ряда галактик и скоплений, выстроенных в одну линию на расстоянии до 12 млрд световых лет от Земли. Это как найти в стоге сена семь выстроенных в ряд иголок, объяснили масштаб открытия исследователи. Уникальная линза обещает помочь в раскрытии тайн космологии, которые пока не поддаются науке.

Нажмите, чтобы раскрыть. Источник изображения: William Sheu/UCLA

Самое интересное, что открытие сделано не случайно, а в результате целенаправленного поиска. Учёные создали компьютерную модель специально для поиска уникальных гравитационных линз. В модель загрузили данные множества предыдущих наблюдений неба и затем провели ручной отбор наиболее многообещающих кандидатов. Фактически «иголки в стоге сена» искал суперкомпьютер, с чем он блестяще справился. Созданная учёными модель также позволит анализировать данные, собранные при наблюдениях через этот «вселенский телескоп», что является сложной задачей. Из-за искажения пространства-времени одна и та же галактика через гравитационную линзу может быть представлена двумя, тремя и даже большим числом образов, что не всегда очевидно. А найденная «суперлинза» искажает пространство-время последовательно шесть раз!

На фотографии «карусельной линзы» (carousel lens), сделанной через телескоп «Хаббл», как назвали её учёные, можно видеть центральную линзу, образованную ближайшим к Земле скоплением галактик, обозначенных буквой L (их четыре). До них 5 млрд световых лет. За этим скоплением, почти на идеальной прямой по линии зрения от Земли, расположены семь галактик в пяти группах на глубине до 12 млрд световых лет. Каждая из них имеет несколько копий, размноженных из-за искажения пространства-времени на пути света (они обозначены буквами с порядковыми номерами). Почти идеальная прямая, проходящая через все семь галактик и скопление на переднем плане, проявляется в виде концентрических окружностей на изображении, по которым размазаны дубликаты галактик — каждая по своей окружности. Это уже не линза, а целый гравитационный объектив.

Но чудо случайности на этом не заканчивается. Обратите внимание на галактику под номером 4, четыре образа которой почти идеально расположены крестом вокруг центрального скопления. Это так называемый Крест Эйнштейна. Значительное разнесение четырёх копий этой галактики вокруг почти пустого пространства в центре указывает на присутствие тёмной материи.

«Это беспрецедентное открытие, и созданная вычислительная модель демонстрирует весьма многообещающую перспективу для измерения свойств космоса, включая свойства темной материи и темной энергии», — уверены авторы работы.

Теория предполагает, что чёрные дыры в центрах галактик способны «задуть свечу их жизни» — лишить вещества для образования новых звёзд. Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба помогла воочию увидеть такой процесс — сверхмассивная чёрная дыра почти мгновенно в масштабах жизни Вселенной уморила голодом галактику-хозяина.

Источник изображения: University of Cambridge

Астрономы из Университета Кембриджа заинтересовались далёкой массивной галактикой GS-10578, большинство звёзд в которой образовались в период с 12,5 до 11,5 млрд лет назад. Благодаря инфракрасной чувствительности «Уэбба» такое наблюдение стало впервые возможным с невероятной детализацией. Галактика GS-10578 имеет массу около 200 млрд солнечных масс. Для юности Вселенной это примерно эквивалентно массе Млечного Пути — нашей родной галактики (масса Млечного Пути составляет 1,2–1,9 трлн солнечных масс). Удивительным стало открытие, что по масштабам Вселенной образование звёзд в GS-10578 прекратилось очень быстро. Галактика быстро разрослась до гигантских для того времени размеров и «умерла». Почему?

Инфракрасная чувствительность «Уэбба» помогла обнаружить улетающий из галактики со скоростью более 1000 км/с холодный газ. Это скорость, позволяющая веществу преодолеть гравитационное притяжение галактики GS-10578, тем самым лишая её «пищи» для зарождения новых звёзд. Облака холодного газа не проявляют себя в спектре наблюдений «Уэбба», но он смог определить их скопления и скорость улёта по ослаблению света фоновых звёзд в галактике. Ранее такие измерения (холодного газа) можно было проводить только с помощью радиотелескопов, поэтому «Уэбб» действительно удивил. Полученные данные учёные намерены уточнить с помощью массива антенных решёток радиотелескопа Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA). Как минимум, ALMA сможет заглянуть внутрь галактики и попытается обнаружить хоть какое-то холодное топливо для процесса рождения новых звёзд.

«Основываясь на более ранних наблюдениях, мы знали, что эта галактика находится в затухающем состоянии: в ней образуется не так много звёзд, учитывая её размер, и мы ожидали, что существует связь между чёрной дырой и окончанием звездообразования, — поясняют авторы работы. — Однако до появления «Уэбба» мы не могли изучить эту галактику достаточно подробно, чтобы подтвердить эту связь, и мы не знали, является ли это подавленное состояние временным или постоянным».

Физика происходящего процесса проста. Вещество падает на чёрную дыру и вызывает выбросы энергии и вещества в сторону от неё. От чёрной дыры постоянно «дует» поток частиц, унося молекулярные газы и пыль от центра галактики и, как мы видим, даже прочь от неё.

«Мы нашли виновника, — продолжают учёные. — Чёрная дыра убивает эту галактику и удерживает её в состоянии покоя, перекрывая источник "пищи", необходимой галактике для образования новых звёзд».

Космический телескоп NASA «Джеймс Уэбб» (James Webb) провёл детальное исследование окраин нашей галактики. Впервые были получены детальные снимки звёздных скоплений в молекулярных облаках Дигеля 1 и 2, демонстрирующие очень молодые звёзды нулевого класса, находящиеся на самой ранней стадии эволюции, молекулярные потоки и джеты, а также характерные структуры туманностей.

Источник изображений: M. Ressler (JPL) / NASA, ESA, CSA, STScI

Исследуемая область галактики расположена на расстоянии более 58 000 световых лет от галактического центра, что более чем в два раза превышает расстояние от Земли (26 000 световых лет) до центра Млечного Пути. Для наблюдений использовались два ключевых инструмента телескопа: камера ближнего (NIRCam) и среднего инфракрасного диапазона (MIRI), обеспечившие беспрецедентную детализацию изображений.

Хотя облака Дигеля находятся в пределах нашей галактики, они относительно бедны элементами тяжелее водорода и гелия, что делает их похожими на карликовые галактики и наш собственный Млечный Путь в начале формирования. Поэтому команда учёных воспользовалась возможностью использовать телескоп, чтобы запечатлеть активность, происходящую в четырёх скоплениях молодых звёзд в облаках Дигеля 1 и 2: 1A, 1B, 2N и 2S.

Наиболее информативные результаты были получены при наблюдении за облаком Дигеля 2S, где телескоп зафиксировал активный кластер молодых звёзд, испускающих протяжённые джеты вдоль своих полюсов. Если раньше учёные предполагали, что внутри облака может существовать субкластер, то возможности телескопа позволили это подтвердить. Майк Ресслер (Mike Ressler), учёный из Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA и второй автор исследования, отметил: «Что меня восхитило и поразило в данных „Уэбба“, так это то, что из этого звёздного скопления во все стороны вылетает множество джетов. Это немного похоже на фейерверк, где вы видите, как всё стреляет то в одну, то в другую сторону».

На снимке видно плотное скопление фоновых галактик и красные туманные структуры в этой области. Цвета на изображении соответствуют различным фильтрам камер MIRI и NIRCam

«В прошлом мы знали об этих регионах звёздообразования, но не могли изучить их свойства. Данные „Уэбба“ основываются на том, что мы тщательно собирали в течение многих лет в ходе других наблюдений. С помощью „Уэбба“ мы можем получить очень мощные и впечатляющие изображения этих облаков. В случае с облаком Дигеля 2 я не ожидала увидеть столь активное звёздообразование и впечатляющие джеты», — заявила Нацуко Изуми (Natsuko Izumi) из Университета Гифу и Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ).

Учёные намерены продолжить изучение процессов звёздообразования в этих регионах. Изуми подчеркнула важность объединения данных с различных обсерваторий и телескопов для детального анализа каждого этапа эволюционного процесса. Среди приоритетных направлений учёная отметила изучение околозвёздных дисков в крайних внешних областях галактики и нерешённый вопрос о причинах более короткого времени жизни этих структур по сравнению с аналогичными объектами в ближних звёздообразующих регионах. Особый интерес у неё вызывает кинематика джетов, обнаруженных в облаке Дигеля 2S.

Снимки «Уэбба» охватывают крайние внешние области галактики и облака Дигеля и являются лишь отправной точкой для команды учёных. Они намерены вновь осмотреть этот форпост Млечного Пути, чтобы найти ответы на целый ряд загадок.