Около 30 лет назад была обнаружена звёздная система MACHO 80.7443.1718, которой суждено стать родоначальником нового типа двойных звёздных систем. Её необычное поведение — сверхсильные пульсации яркости — недавно получили исчерпывающие объяснения. Моделирование показало, что на главной звезде из этой пары регулярно возникают приливные волны высотой свыше 4 млн км и долго прокатываются по её поверхности, создавая рябь циклопических масштабов.

Малая звезда в паре вызывает гигантскую волну на поверхности большой (рисунок художника). Источник изображения: Melissa Weiss, CfA

Систему MACHO 80.7443.1718 учёные прозвали heartbreak или «волнующейся» в данном контексте за её экстремально пульсирующий характер свечения. Обычно изменение яркости светил в двойных системах не превышает 0,1 %. Пульсации возникают при гравитационном взаимодействии пары звёзд, когда они проходят рядом на расстояниях, достаточных для обмена веществом (плазмой). Однако в случае с системой MACHO 80.7443.1718, где одна звезда в 35 раз массивнее Солнца, а вторая намного меньше её, изменение в яркости достигает 20 %, что не помещается ни в какие известные теории.

Долгие годы учёные строили модели системы MACHO, пока, наконец, новое моделирование не дало результат, совпадающий с наблюдениями. Оказалось, что приближение малой звезды к большой вызывает на крупном партнёре настолько гигантские приливные волны, что они продолжают ходить по поверхности даже после удаления малого партнёра на большое расстояние. Высота цунами из плазмы и звёздного вещества может превышать 4,3 млн км, что в три раза выше диаметра Солнца. Подобной «волнующейся» звезды астрономы ещё не наблюдали в двойных звёздных системах, но жаждут найти их больше, а MACHO 80.7443.1718 стала первой в их списке.

Учёный из Южной Кореи получил убедительные доказательства, что теории гравитации Ньютона и Эйнштейна могут быть ошибочными. На примере двойных звёздных систем он показал, что при слабых ускорениях звёзды движутся до 40 % быстрее, чем предсказывают теории Ньютона и Эйнштейна. Такое «экстремальное» поведение гравитации делает ненужными поиски тёмной материи и энергии — эти понятия становятся лишними. Похоже, мы на пороге революции в астрофизике и физике.

Источник изображения: Pixabay

Астрофизик Кю-Хюн Чае (Kyu-Hyun Chae) из Университета Седжонг в Сеуле проанализировал 26 500 «широких» двойных звёздных систем в пределах 650 световых лет от Земли. Это звёздные системы, в которых две звезды вращаются вокруг общего центра масс на довольно большой удалённости одна от другой — от нескольких сотен до нескольких тысяч астрономических единиц. При этом профессор учёл возможность «вложения» — существования скрытой тесной двойной системы звёзд на орбите с третьей сильно удалённой звездой (данные расчётов были откалиброваны с учётом такого варианта событий).

Все данные для расчётов были получены из одного из обзоров астрометрического европейского спутника «Гайя» (Gaia). «Гайя» определяет точные расстояния до звёзд в нашей галактике и их скорость, а также вектор движения, позволяя создавать динамическую трёхмерную карту ближней Вселенной. В данных Gaia никто не сомневается, а проделанные корейским учёным расчёты настолько достоверны, что это буквально вышибает опору под ногами многих поколений учёных. Выходит, что они ошибочно считали теории гравитации Ньютона (для медленных и относительно небольших масс) и Эйнштейна (для околосветовых скоростей и больших масс) истиной в последней инстанции, а это, как оказалось, определённо не так.

Слева двойная звёздная система с «вложением» в виде тесной пары звёзд, справа — график измерения ускорения звёзд и график расчёта ускорения согласно уравнениям Ньютона и Эйнштейна с поправкой (калибровкой) на третьи «вложенные» звёзды (с определённого момента графики наблюдений и теория расходятся). Источник изображения: Kyu-Hyun Chae

Проделанные южнокорейским исследователем расчёты показывают, что при ускорении менее 1 нм/с² ускорение, с которым пары двойных звёзд реально вращаются вокруг общего центра масс, перестаёт удовлетворять расчётам, сделанным на основе уравнений Ньютона/Эйнштейна. Эти выводы получены для 20 тыс. двойных звёздных систем. Вероятность ошибок исключается, а достоверность данных попадает в отклонение на 5 сигма — это тот результат, который необходим для заявления о научном открытии.

При ускорении менее 0,1 нм/с² наблюдаемое в широких двойных звёздных системах ускорение превышает «классическое» значение уже на 30–40 %. Нечто подобное мы наблюдаем при измерении кривой вращения галактик. Для объяснения непонятного ускорения звёзд по мере удаления от центра галактик была придумана тёмная материя, которую мы не видим, но которая якобы участвует в гравитационном взаимодействии галактических объектов и заставляет их вращаться синхронно. Для сравнительно небольших двойных звёздных систем этот механизм не может служить объяснением (на таком масштабе тёмная материя не работает) и это, тем самым, может вычеркнуть необходимость тёмной материи для объяснения ускорения в масштабе галактики. По крайней мере, теперь для этого нужно меньше тёмной материи, а часть лишнего ускорения может взять на себя обнаруженная в законах Ньютона/Эйнштейна аномалия.

Самое интересное, что альтернативу законам Ньютона/Эйнштейна о тяготении в виде модернизированной теории гравитации MOND более 40 лет назад предложил израильский астрофизик Мордехаем Милгром (Mordehai Milgrom). В эту теорию почти никто не верил, но другой учёный — Якоб Бекенштейн (Jacob Bekenstein) — представил численные методы подтверждения MOND в виде теории AQUAL. Согласно расчётам Бекенштейна, при малых ускорениях наблюдаемое ускорение будет отличаться от теории Ньютона/Эйнштейна в 1,4 раза, что теперь независимо показали расчёты южнокорейского учёного по широким двойным звёздным системам в Млечном Пути.

Результаты данного исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal. Рецензенты высоко оценили работу и предрекли, что астрофизика на пороге новой революции. Наш мир оказался не такой, как его себе представляли Ньютон и, позже, Эйнштейн — два незыблемых авторитета в мире всемирного тяготения на малом и вселенском уровнях.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) прислал снимок величественного космического левиафана — гигантского скопления галактик 2MASX J05101744-4519179. Этот далёкий космический объект поражает своей яркостью в рентгеновском спектре и может стать ключом к пониманию взаимодействия тёмной и обычной материи во Вселенной.

Источник изображений: H. Ebeling / ESA, Hubble, NASA

В центре изображения, сделанного телескопом, расположено галактическое скопление 2MASX J05101744-4519179, которое находится в созвездии Живописца (Pictor constellation), на расстоянии около 2,6 млрд световых лет от Земли. Изучение таких объектов позволяет глубже понять эволюцию и взаимодействие тёмной материи и обычной (барионной) материи в галактических скоплениях. Тёмная материя — это невидимая часть Вселенной, которая не излучает свет, но оказывает гравитационное воздействие на видимые объекты. Обычная материя — это всё, что мы можем наблюдать: звёзды, планеты, галактики.

Подобные галактические скопления действуют как мощные гравитационные «телескопы», усиливающие изображение далёких объектов благодаря гравитационному линзированию. Знание местоположения таких «линз» важно для будущих наблюдений не только с помощью телескопа «Хаббл», но и телескопа «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope).

Для создания этого изображения были использованы два инструмента телескопа «Хаббл»: Wide Field Camera 3 (WFC3) и Advanced Camera for Surveys (ACS). Оба они являются инструментами третьего поколения, предоставляя высокое качество изображения. Они позволяют получать изображения больших участков ночного неба, но работают в немного разных диапазонах электромагнитного спектра. WFC3 охватывает спектр от ультрафиолетового до видимого света и ближнего инфракрасного, в то время как ACS оптимизирован для наблюдений в видимом свете.

Открытие галактического скопления 2MASX J05101744-4519179 — это не просто очередное космическое открытие. Это шаг вперёд в понимании структуры Вселенной, взаимодействия её объектов и роли гравитации в формировании космического ландшафта. Такие исследования подтверждают важность продолжения космических миссий и развития технологий наблюдения за далёким космосом.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» получил наиболее полное изображение одного из интереснейших для наблюдения в любительские телескопы объектов — планетарной туманности Кольцо (M57). Это разлетевшаяся оболочка звезды крупнее нашего Солнца, которая завершила свой жизненный путь — очень яркий, красочный и привлекательный объект для наблюдений. А для профессиональных астрономов туманность Кольцо это лаборатория для изучения финала эволюции звёзд.

Нажмите, чтобы увеличить. Источник изображения: NASA / ESA / CSA / JWST Ring Nebula Team / Roger Wesson

Новое изображение туманности Кольцо получено с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона NIRCam и набора узкополосных фильтров. В центре картинки обнаружился белый карлик — это всё, что осталось после сброса внешней оболочки звезды на последних стадиях её эволюции. Когда-нибудь подобное произойдёт с нашим Солнцем. Оно превратится в красного гиганта с чрезмерно раздутой оболочкой и в один из моментов сбросит её. Газ и вещество разлетятся по Солнечной системе, сметая на своём пути всё, включая и атмосферу Земли.

Но со стороны всё выглядит красиво, особенно в таких подробностях, как представил «Уэбб» — с завихрениями и сгустками в областях, где оболочка звезды сталкивалась с холодным газом в пространстве. По этой картине учёные могут восстановить динамику разлёта оболочки, однако и это не всё. Приборы «Уэбба» позволяют проводить спектральный анализ вещества, тем более что туманность Кольцо находится почти рядом с нами (по меркам Вселенной) — до неё примерно 2,5 тысячи световых лет. Учёные получили раскладку по химическому составу вещества оболочки и, например, удивились обилию молекул с соединением углерода.

«С научной точки зрения мне очень интересно узнать, как звезда превращает свою газообразную оболочку в эту смесь простых и сложных молекул и пылевых сгустков, и эти новые наблюдения помогут нам это выяснить», — поделился один из авторов исследования.

Телескоп «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope) предоставил удивительный новый взгляд на гравитационное искривление галактик в скоплении «Эль-Гордо» (El Gordo). Этот новаторский телескоп, работающий в инфракрасном диапазоне, обнаружил гравитационные искажения, красную гигантскую звезду и множество других космических объектов, которые ранее были недоступны для наблюдения.

Источник изображений: NASA, ESA, CSA

На расстоянии около 9,7 млрд световых лет от Земли расположено очень крупное скопление галактик с массой, эквивалентной примерно 3 млн миллиардов Солнц. Это космическое скопление прозвали El Gordo, что в переводе с испанского означает «Толстяк».

Один из объектов этого скопления известен как «El Anzuelo», или «Рыболовный крючок». Эта галактика, расположенная на расстоянии 10,6 млрд световых лет от нас, хорошо видна в правой верхней части снимка в виде ярко-красной дуги. Чтобы представить себе, насколько поразительна эта новая фотография, можно сказать, что вы видите галактику «Рыболовный крючок» такой, какой она была 10,6 млрд лет назад. Именно столько времени потребовалось, чтобы свет с этого момента жизни галактики достиг телескопа.

На снимке камеры NIRCam наиболее заметными являются две галактики: «Тонкая» (A), расположенная чуть ниже и левее центра изображения, и «Рыболовный крючок» (B) — красное пятно в правом верхнем углу. Обе галактики являются линзированными фоновыми галактиками.

«Мы смогли тщательно изучить пылевую пелену, окутывающую центр галактики, где активно формируются звезды. С помощью телескопа „Джеймс Уэбб“ мы можем с лёгкостью проникнуть сквозь эту плотную завесу пыли, что позволит нам воочию увидеть процесс сборки галактик изнутри», — сказал Патрик Каминески (Patrick Kamieneski) из Университета штата Аризона (ASU), ведущий автор одной из нескольких работ, посвящённых этим наблюдениям.

Но помимо того, что телескоп «Джеймс Уэбб» способен проникать сквозь пылевую завесу благодаря своим камерам ближнего и среднего инфракрасного диапазона (NIRCam и MIRI), новый объектив телескопа, наведённый на «Толстяка», имеет огромное значение, позволяя чётко зафиксировать явление, называемое гравитационным линзированием.

Гравитационное линзирование — это понятие, связанное с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна (Albert Einstein). В соответствии с этой теорией пространство и время представляются сплетёнными вместе, как осязаемая ткань, которая может деформироваться и пульсировать в зависимости от того, какие массы в ней присутствуют. Чёрные дыры сильно деформируют эту ткань, звезды влияют на неё тоже довольно сильно, Земля деформирует её в некоторой степени, и даже мы с вами деформируем её в невероятно крошечной, неразличимой степени.

На снимке камеры NIRCam видны сотни галактик, некоторые из них никогда ранее не наблюдались с такой степенью детализации. Скопление «Толстяк» действует как гравитационная линза, искажая и увеличивая свет от далёких фоновых галактик.

Однако для данного снимка телескопа «Джеймс Уэбб» важно то, что общая теория относительности также предсказывает, что эти искривления ткани пространства-времени влияют на то, как свет перемещается по Вселенной. Рискуя упростить, можно сказать, что эти искривления заставляют свет изгибаться и закручиваться при движении через пространство — но это хорошо для астрономов.

Если учёные смогут сфокусировать свои обсерватории (например, телескоп «Джеймс Уэбб») на суперискривлённых областях (например, на большом скоплении галактик), они смогут поймать часть этого искривлённого света. И в зависимости от того, откуда исходит свет, эти искривления могут создавать своего рода эффект увеличения источника. Этот эффект называется гравитационным линзированием. «Этот эффект линзирования открывает уникальное окно в далёкую Вселенную», — заявила Бренда Фрай (Brenda Frye) из ASU, соруководитель направления PEARLS-Clusters и ведущий автор другой статьи.

Возвращаясь к изображению галактики «Рыболовный крючок», можно сказать, что основная причина, по которой астрономы вообще могут её видеть, несмотря на то, что она находится так далеко, заключается не в чём ином, как в гравитационном линзировании. Благодаря этой эффектной концепции учёные поняли, что далёкая галактика имеет форму диска диаметром около 26 000 световых лет (четвёртая часть размера Млечного Пути).

Галактика «Рыболовный крючок» — снимок камеры NIRCam

Кроме того, красноватый оттенок, который вы видите у этой галактики, связан с другим явлением космического света. В принципе, по мере удаления объектов от нашей точки обзора на Земле — в связи с расширением Вселенной — излучаемые ими световые волны растягиваются, как неразрывные резиновые ленты. При этом волны кажутся всё краснее и краснее из-за явления, известного как красное смещение. Поскольку эта галактика выглядит очень красной, она находится очень далеко.

Уйдя от крупных галактик, на портрете «Толстяка», полученном телескопом «Джеймс Уэбб», также удалось разглядеть одиночную красную гигантскую звезду. Учёные дали ей прозвище Quyllur, что в переводе с языка кечуа, на котором говорят коренные жители перуанского нагорья, означает просто «Звезда».

Удивительно то, что это первая отдельная красная звезда-гигант, наблюдаемая телескопом на расстоянии более 1 млрд световых лет от Земли. На самом деле «Звезда» находится на расстоянии около 11 млрд световых лет от нас, вблизи галактики, известной как La Flaca, или «Тонкая». Галактика «Тонкая» видна как линия, похожая на карандаш, в центре изображения.

Галактика «Тонкая» — снимок камеры NIRCam

«Увидеть линзованные красные гигантские звезды практически невозможно, если только не выходить в инфракрасный диапазон. Это первая звезда, которую мы обнаружили с помощью телескопа „Джеймс Уэбб“, но мы ожидаем, что в будущем их будет гораздо больше», — сказал Хосе Диего (Jose Diego) из Института физики Кантабрии (IFCA) в Испании, ведущий автор другой работы, посвящённой скоплению «Толстяк».

Фрай и её коллеги также отмечают пять линзированных галактик, которые, по-видимому, являются частью детского скопления, находящегося на расстоянии около 12,1 млрд световых лет от Земли — возможно, в нём насчитывается в общей сложности 17 галактик. Кроме того, на расстоянии около 7,2 млрд световых лет от Земли находятся ультрадиффузные галактики, которые похожи на обычные галактики, но звезды в них расположены гораздо более равномерно.

«Мы изучили, отличаются ли свойства этих галактик от свойств ультрадиффузных галактик, которые мы наблюдаем в локальной Вселенной, и действительно увидели некоторые отличия. В частности, они голубее, моложе, более протяжённые и более равномерно распределены по скоплению. Это говорит о том, что жизнь в условиях скопления в течение последних 6 млрд лет оказала существенное влияние на эти галактики», — рассказал Тимоти Карлетон (Timothy Carleton) из ASU, ведущий автор другой работы, посвящённой этим наблюдениям.

Открытия, сделанные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», открывают новые горизонты в понимании Вселенной. Гравитационное линзирование, предсказанное Эйнштейном, теперь наблюдается в действии, и это может подтвердить иные не менее важные догадки великого учёного. Открытие отдельной красной звезды-гиганта также является важным шагом в изучении далёких галактик. Эти открытия подчёркивают важность продолжения исследований и инноваций в области космической науки, и они могут пролить свет на то, как формируются и развиваются галактики.

Группа астрофизиков под руководством специалиста из Австралии обнаружила в нашей галактике источник повторяющихся радиосигналов, которому пока нет уверенного научного объяснения. Этот сигнал длительностью около 5 минут приходит к нам с расстояния 15 тыс. световых лет каждые 22 минуты в течение как минимум 33 лет. Это очень и очень медленный сигнал, что выводит открытие за рамки известной нам физики.

Магнетар в представлении художника. Источник изображения: ICRAR

«Этот замечательный объект бросает вызов нашему пониманию нейтронных звезд и магнетаров, которые являются одними из самых экзотических и экстремальных объектов во Вселенной», — сказала руководитель группы, астрофизик Наташа Харли-Уокер (Natasha Hurley-Walker) из Университета Кертина Международного центра радиоастрономических исследований (ICRAR) в Австралии.

В прошлом году астрономы нашли в архивах наблюдений подобный долгопериодический радиобъект, который получил обозначение GLEAM-X J162759.5-523504.3. Он излучал радиосигнал каждые 18 минут, но с 2018 года пропал из эфира. Группа Харли-Уокер попыталась обнаружить нечто подобное прямыми наблюдениями и нашла искомое — объект GPM J1839-10 с периодом радиосигнала 22 мин. Более того, изучение архивов показало, что источник фиксируется с 1988 года, но никто не обращал на него внимания, считая такое невозможным в принципе.

Дело в том, что подобные долгопериодические излучения лежат ниже так называемой «долины смерти» для магнетаров. Для возникновения мощного радиоизлучения напряженность магнитного поля должна быть выше определенного порога, который зависит от скорости вращения магнетара. Чем медленнее вращается магнетар — одна из разновидностей нейтронных звёзд, тем реже возникает радиосигнал. Но слишком медленное вращение магнетара просто неспособно создать напряжённость магнитного поля, достаточную для появления радиовсплеска.

Серым представлена «долина смерти», где обитают типичные магнетары. Источник изображения: N. Hurley-Walker et al. / Nature, 2023

«Обнаруженный нами объект вращается слишком медленно, чтобы генерировать радиоволны — он находится ниже линии смерти», — пояснила Херли-Уокер.

Тем самым перед учёными вырисовываются две перспективы — либо менять физику возникновения радиовсплесков магнетаров, либо считать, что это сигналит звезда какого-то иного неустановленного типа. Например, это могут быть звёзды типа белых карликов в намагниченном и изолированном состоянии. В любом случае, открытие новых долгопериодических источников радиосигналов намекает на то, что подобное происходит во Вселенной чаще и гуще, чем мы себе представляли.

Учёные обнаружили необычного белого карлика — он обладает двумя разными «лицами». Одна сторона звезды состоит из водорода, а другая — из гелия. Этот уникальный объект получил имя «Янус» (Janus) в честь древнеримского бога с двумя лицами, обращёнными одновременно в прошлое и будущее. Новое открытие ставит под сомнение представления астрофизиков о строении звёзд и открывает новые горизонты для астрономических исследований.

Источник изображения: K. Miller / Caltech / IPAC

Белые карлики — это, по сути, обугленные ядра мёртвых звёзд. Одним из первых обнаруженных белых карликов был 40 Эридан B (40 Eridani B), плотность которого превышала плотность Солнца в 25 000 раз, при этом его размеры были сопоставимы с размерами Земли. Это наблюдение казалось астрономам невозможным. Второй обнаруженный белый карлик, Сириус B (Sirius B), оказался ещё более плотным — примерно в 200 000 раз плотнее Земли.

Такая экстремальная плотность обусловлена необычным механизмом, обеспечивающим внутреннее давление звезды, необходимое для противостояния силе гравитации. В обычных звёздах энергия высвобождается за счёт ядерного синтеза, но в белых карликах этот процесс уже остановлен. В результате гравитация сжимает всю массу звезды настолько сильно, что электроны в ней сближаются, образуя вещество с электронной дегенерацией. Это происходит из-за квантовой механики, в частности, принципа запрета Паули, согласно которому каждый электрон в атоме должен иметь уникальный набор квантовых чисел. В условиях экстремальной плотности, как в белых карликах, все возможные состояния электронов заполняются, создавая силу, противостоящую дальнейшему сжатию звезды.

Чем больше масса белого карлика, тем меньше его размер, поскольку ему необходимо создать достаточное внутреннее давление для поддержания всей этой массы. И поскольку поверхностная гравитация звезды в 100 000 раз превышает гравитацию Земли, более тяжёлые атомы в её атмосфере опускаются, оставляя на поверхности более лёгкие атомы. Поэтому атмосфера белых карликов обычно состоит из чистого водорода или чистого гелия.

Вот почему последнее открытие белого карлика так интересно. Астроном Илария Кайаццо (Ilaria Caiazzo) из Калифорнийского технологического института (CIT), впервые заметила Януса (официальное обозначение ZTF J203349.8+322901.1) с помощью установки Zwicky Transient Facility (ZTF) для поиска сильно магнетизированных белых карликов. ZTF проводит роботизированные обзоры ночного неба, ища объекты, которые вспыхивают или меняются в яркости: сверхновые, звёзды, поглощаемые чёрными дырами, а также астероиды и кометы.

Дополнительные наблюдения с помощью инструмента CHIMERA и Большого Канарского телескопа показали, что Янус оборачивается вокруг своей оси примерно каждые 15 минут. Но именно данные, полученные с помощью обсерватории Кека на Гавайях, раскрыли необычный спектр звезды, то есть её характерный химический отпечаток: одна сторона водород, другая гелий. Кайаццо и её соавторы полагают, что это может быть белый карлик, пойманный в процессе редкого перехода от водородной к гелиевой поверхности.

Однако это не объясняет, почему одна сторона карлика переходит в другую быстрее, чем это происходит в обратную сторону. В настоящее время у астрономов есть две гипотезы объяснения этого странного явления, обе связаны с магнитными полями. Одна из них предполагает, что магнитное поле Януса может быть асимметричным. «Магнитные поля могут препятствовать смешиванию материалов. Поэтому, если магнитное поле сильнее с одной стороны, то на этой стороне будет меньше смешивания и, следовательно, больше водорода», — говорит Кайаццо. Возможно, гелиевая сторона Януса выглядит такой пузырчатой потому, что конвекция удалила тонкий слой водорода на поверхности, обнажив находящийся под ним гелий.

Другая гипотеза заключается в том, что магнитные поля звезды могут менять давление и плотность атмосферных газов. «Магнитные поля могут привести к снижению газового давления в атмосфере, и это может позволить образоваться "океану" водорода там, где магнитные поля самые сильные. Мы не знаем, какая из этих теорий верна, но мы не можем придумать другой способ объяснения асимметричных сторон без магнитных полей», — говорит соавтор Джеймс Фуллер (James Fuller), теоретический астрофизик из CIT.

Следующим шагом будет поиск других «двуликих» белых карликов. Эта задача станет проще, когда начнёт работу обсерватория Веры Рубин в Чили, оснащённая 8,4-метровым телескопом для сканирования всего неба каждые несколько ночей. Также в этом поможет пятый Слоановский цифровой небесный обзор (SDSS-V), международный проект по созданию трёхмерной карты Вселенной. Учёные уже наблюдали менее экстремальные спектральные вариации в другом белом карлике (GD 323). «Янус, возможно, не является уникальным случаем, а скорее самым ярким представителем класса "двуликих" белых карликов», — заключают учёные астрофизики.

Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» продолжает срывать покровы и расширять границы знаний. Новое наблюдение показало, что на заре Вселенной было необъяснимо много углерода, который, согласно нашим гипотезам, не мог там появиться в фиксируемых объёмах. Благодаря новым открытиям учёные получают новые данные для уточнения теорий эволюции звёзд, галактик и Вселенной.

Редкая звезда типа Вольфа — Райе, которая «пылит» не хуже сверхновых. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO

Как сообщили учёные Кембриджского университета (Великобритания) в своей статье в журнале Nature, углеродная пыль в больших объёмах обнаружена в галактиках на рубеже 800 млн лет после Большого взрыва. Углерод и другие тяжёлые атомы (по представлению астрофизиков, кроме водорода и гелия тяжёлые все элементы) рождаются только в горниле звёзд и в виде пыли могут быть представлены преимущественно в одном случае — когда звезда превратится в сверхновую и развеет свою оболочку по окружающей Вселенной. Исходя из этого, на отметке 800 млн лет не должно было быть углерода и всего остального в заметных объёмах, поскольку звёзды просто не успели бы проэволюционировать до нужных кондиций и процессов.

Наблюдения «Уэбба» опровергли устоявшееся в научной среде мнение. Спектральные линии углерода абсолютно чётко прослеживаются во многих галактиках вблизи временной границы на уровне одного миллиарда лет после Большого взрыва. Это означает, что похожие химические процессы шли повсеместно и с одинаковой скоростью, и явно не так, как мы предполагали. Эти данные внесут значительные коррективы в модели эволюции звёзд и в наше понимание этих процессов.

«Наше обнаружение углеродистой пыли на красных смещениях 4–7 позволяет существенно ограничить модели и сценарии производства пыли в ранней Вселенной», — пишет группа специалистов под руководством космолога Йориса Витстока (Joris Witstok) из Кембриджского университета (Великобритания).

Впрочем, для обнаруженной странности с углеродом есть объяснение. Согласно одной из гипотез, первые звёзды во Вселенной были сверхмассивными. Такие звёзды эволюционируют намного быстрее, чем звёзды меньшей массы. Это также объясняет, почему мы до сих пор не видели ни одной из первых звёзд (они относятся к так называемому III населению). Все они превратились в сверхновые очень и очень рано и, следовательно, могли создать углерод и другие металлы в то время, куда наши инструменты ещё не могут заглянуть.

Во Вселенной происходят физические явления, которые никогда не будет возможно повторить в земных условиях. Наблюдая такие явления, учёные познают мир, и новые инструменты помогают делать это лучше и точнее, как новая рентгеновская обсерватория NASA IXPE. Этот инструмент помог вскрыть структуру электромагнитных полей джетов блазаров, где частицы разгоняются до околосветовых скоростей.

Художественное представление релятивистской струи, бьющей из центра чёрной дыры, окружённой аккреционным диском (в рентгене видна «белая область» — это фронт ударной волны). Источник изображения: NASA/Pablo Garcia

Поразительно, что открытие сделано с расстояния 400 млн световых лет от Земли. Впрочем, энергия выбросов — джетов или струй блазаров, бьющих из центров чёрных дыр — настолько велика, что затмевает свет всех остальных звёзд в галактике-хозяйке. Тем не менее, приборы обсерватории NASA IXPE смогли различить спиралевидную структуру электромагнитного поля в месте движения ударной волны в струе блазара Маркарян 421 (Markarian 421) в созвездии Большой Медведицы.

Ранее обсерватория IXPE смогла увидеть признаки спиралевидной структуры в джете другого блазара — Маркарян 501. Двукратное наблюдение за блазаром Маркарян 421 позволило более детально изучить структуру поля и окончательно утвердиться в мысли, что частицы в джете разгоняются до околосветовых скоростей именно благодаря формированию фронта ударной волны, а фронт волны, в свою очередь, формируется в процессе вращения частиц по линиям электромагнитного поля по спирали.

Обсерватория NASA IXPE

Интересно, что два наблюдения блазара Маркарян 421 с перерывом свыше полугода не показало изменения в поляризации рентгеновского излучения джета. При этом каждое из наблюдений показывало постоянную смену поляризации на 15 %. Оказалось, что между двумя наблюдениями поляризация поменялась на 180 градусов. Это стало сюрпризом, поскольку никто не ожидал таких крупных витков «спирали» в магнитном поле струи. И это открытие позволило упрочить фундамент под нашими знаниями о физике джетов и блазаров.

Учёные Оттавского университета (Канада), основываясь на данных космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), вернулись к выдвинутой почти сто лет назад гипотезе, согласно которой, возраст Вселенной может быть почти вдвое больше, чем считается сейчас.

Источник изображения: uottawa.ca

Современная наука склоняется к тому, что Большой взрыв произошёл 13,797 млрд лет назад — этот показатель был получен на основе анализа красного смещения, то есть «растягивании» электромагнитных волн из-за расширения Вселенной в четырёх измерениях. Но существуют некоторые аномалии, которые в эту гипотезу не укладываются, и их ещё предстоит объяснить. Одной из таких аномалий является «проблема невозможных ранних галактик» — обнаруженных «Джеймсом Уэббом» небольших галактик, которые, как считается, сформировались через 300 млн лет после Большого взрыва, но имеют несоответствующие этому возрасту характеристики. Ещё одна аномалия — звезда Мафусаил (HD 140283), возраст которой, по разным оценкам, составляет от 12 млрд до 14,46 млрд лет, то есть она каким-то образом может оказаться старше самой Вселенной.

Чтобы объяснить эти аномалии, ученые Оттавского университета вновь обратились к гипотезе «старения света», предложенной в 1929 году астрономом Фрицем Цвикки (Fritz Zwicky) в качестве альтернативы теории расширяющейся Вселенной. Основная идея этой опровергнутой впоследствии гипотезы состоит в том, что по мере движения через Вселенную свет теряет энергию из-за того, что фотоны сталкиваются с пылью, газом и проходят через силовые поля. Иными словами, Вселенная статична, а её расширение — это иллюзия.

Эта гипотеза никогда не устраивала физиков, которые указывали, что из-за «усталого света» звёзды и галактики должны казаться размытыми. Кроме того, она не объясняет асимметрию Вселенной, её тепловой спектр, а также фоновое излучение. Канадские учёные вернули гипотезу «старения света» в обновлённом виде с учётом уравнения Дирака, которое описывает взаимодействие частиц на квантовом уровне — новая модель указывает, что возраст наблюдаемой Вселенной может оказаться почти в два раза больше, чем считается сейчас — 26,7 млрд лет.

—

Первый год наблюдений космической обсерватории «Джеймс Уэбб» принёс множество открытий, включая обнаружение самых древних галактик, появившихся на самой заре нашей Вселенной, когда ей было всего 300 млн лет. Группа учёных поставила под сомнение это открытие, заявив, что эти объекты могут быть звёздами из тёмной материи — первыми, которые человечество увидело в свои инструменты.

Источник изображения: Pixabay

Наши знания о Вселенной очень и очень неполны. Значительную часть из них представляют теоретические модели. Наблюдения, особенно с помощью самого современного оборудования, позволяют подтвердить или опровергнуть ту или иную теорию. Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба стала таким инструментом, который позволил заглянуть в эпоху детства и юности Вселенной. Инфракрасные датчики «Уэбба» способны уловить свет, который летел к нам свыше 13 млрд лет, и поэтому ушёл в инфракрасный диапазон — длина волны банально растянулась во время этого эпического полёта и стала невидима в оптическом диапазоне.

Инструменты «Уэбба» обнаружили три объекта возрастом от 300 до 400 млн лет после Большого взрыва — это JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0. Спектральный анализ излучения этих объектов показал, что им действительно столько лет, как на это указывает величина их красного смещения. Фактически, это одни из самых молодых галактик во Вселенной, масса которых находится в районе 100 млн солнечных масс. Однако учёные Космин Илие (Cosmin Ilie) и Джиллиан Паулин (Jillian Paulin) из Колгейтского университета и Кэтрин Фриз (Katherine Freese) из Техасского университета в Остине поставили под сомнение это открытие и опубликовали научную работу, в которой обосновали альтернативную версию идентификации этих объектов.

Согласно математическому моделированию учёных, все три открытых объекта — это звёзды из тёмной материи. Для гипотетических звёзд III-го населения (таковые пока не наблюдались) масса в 100 млн солнечных масс была бы нормой. Наука предполагает, что первые звёзды в нашей Вселенной должны отличаться от наблюдаемых нами звёзд, и в этом свете объекты JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0 вполне могут оказаться звёздами, а не галактиками. Первыми звёздами.

Вещество этих звёзд также может отличаться от вещества в наблюдаемых звёздах. В нашей Вселенной мы видим в звёздах процесс термоядерной реакции, когда водород превращается в гелий. В первых звёздах веществом может быть тёмная материя. Вместо реакции синтеза такие звёзды горят в процессе реакции аннигиляции частиц и античастиц тёмного вещества. Теория это допускает, хотя мы пока не имеем понятия, что такое эта тёмная материя, кроме разве что почти полной уверенности, что это действительно частицы, а не поле, например.

К сожалению, чувствительности «Уэбба» не хватает, чтобы обнаружить линии гелия в столь отдалённых от нас по времени объектах. В таком случае мы могли бы точно узнать, идут ли в них термоядерные реакции или нет, и сказать, «тёмные» звёзды это или обычные молодые галактики. Остаётся надеяться на моделирование, которое, кстати, очень удачно может объяснить и появление сверхмассивных чёрных дыр (звезда в 100 млн масс Солнца может сразу коллапсировать в сверхмассивную чёрную дыру), и наличие неуловимого звёздного населения III, и присутствие тёмной материи и много чего ещё, на что официально признанная астрофизическая теория развития Вселенной пока не может дать убедительного ответа.

Накануне первой годовщины первого научного обзора неба космической обсерваторией «Джеймс Уэбб» учёные представили трёхмерную визуализацию примерно 5000 галактик, наблюдения которых проведены с помощью этой космической обсерватории. Визуализация являет собой виртуальный полёт сквозь Вселенную до самой древней из обнаруженных галактик «Мэйси», которую до «Уэбба» не видел никто на Земле.

Источник изображения: Pixabay

В ролик попали галактики из области неба, названной Расширенная полоса Грота, которая находится между созвездиями Волопаса и Большой Медведицы. Телескоп «Хаббл» наблюдал этот регион около 20 лет назад и обнаружил там порядка 100 тыс. галактик. Можно было бы сказать, что «Уэбб» переоткрыл их, но это не совсем так. Самые дальние галактики на снимках «Хаббла» были просто точками, а «Уэбб» позволяет увидеть множество деталей на изображениях, за что надо благодарить его чувствительность к инфракрасному диапазону, а также новый телескоп провёл спектральный анализ света звёзд. Можно сказать, что «Хаббл» увидел лес, а «Уэбб» рассказал, что там растёт.

Более того, визуализация завершается изображением галактики «Мэйси» (CEERSJ141946.35+525632.8, Maisies). Эта галактика получила собственное имя от одной из учёных проекта, которая назвала её в честь своей дочери. Возможно это всё ещё кандидат в самые ранние галактики. Было ли подтверждено её красное смещение на уровне z14,3 или нет, мы точно сказать не можем. В пресс-релизе NASA её называют самой ранней галактикой, но научной работы с подтверждением этого в виде спектрального анализа, похоже, ещё не было.

Если «Мэйси» — это действительно то, чем она кажется, то на снимке «Уэбба» она находится во времена, когда Вселенной было всего 286 млн лет или 13,4 млрд лет назад. Это первая галактика, которую до работы «Уэбба» люди не видели.

«Эта обсерватория просто открывает для нас весь этот период времени для изучения, — сказала Ребекка Ларсон (Rebecca Larson) из Рочестерского технологического института в Рочестере (штат Нью-Йорк), одна из учёных проекта. — Раньше мы не могли изучать галактики, подобные галактике "Мэйси", потому что не могли их увидеть. Теперь же мы не только можем обнаружить их на снимках, но и узнать, из чего они состоят и отличаются ли они от галактик, которые мы видим вблизи».

Как удалось выяснить астрономам на основе наблюдений за изменениями в излучении порядка 190 квазаров, на начальном этапе формирования Вселенной время текло в пять раз медленнее, чем сегодня. С соответствующим заявлением выступила пресс-служба Сиднейского университета.

Источник изображения: NASA

Как сообщает ТАСС со ссылкой на пресс-службу университета, благодаря Эйнштейну известно, что время и пространство неразрывно связаны. При этом Вселенная постоянно расширяется и в теории это означает, что события в ранней Вселенной, в первый миллиард лет после Большого взрыва показались бы замедленными в сравнении с течением времени сегодня. Сообщается, что учёные 20 лет наблюдали за 190 квазарами (сверхмассивными чёрными дырами в центрах галактик), являющимися очень интенсивными источниками излучения. Из-за огромного расстояния до Солнечной системы, которое должно проделать излучение, они видны такими, какими выглядели в далёкой древности. Излучение, дошедшее до Земли, испущено 3–12 млрд лет назад. Известно, что наблюдения ведутся в рамках проектов Dark Energy Survey и Sloan Digital Sky Survey.

Ученые следили за искажением излучения квазаров. Источники были подобраны таким образом, что их светимость должна была изменяться примерно одинаково. Ученые определили частоту искажений для квазаров, расположенных на схожих расстояниях, и сравнили полученные данные между разными группами. В результате удалось выяснить, как медленно текло время в разные периоды существования Вселенной. В прошлом оно шло медленнее, но если 3 млрд лет назад — только в 1,2 раза, то 12 млрд лет назад — в пять раз.

Данные косвенно подтверждаются зарегистрированными близко и далеко от Земли вспышками сверхновых — здесь также отмечалось изменение скорости течения времени. Другими словами, квазары вполне подходят для измерения скорости течения времени. Впрочем, гипотетический наблюдатель, оказавшийся бы в относительной близости от квазара в древние времена, никакого замедления не заметил бы.

Известно, что ещё в XX веке учёные обнаружили, что Вселенная расширяется и делает это всё быстрее. Считается, что за это ответственна т.н. тёмная энергия. По данным исследований, рост Вселенной был неравномерным и если в самые первые мгновения после Большого взрыва её границы расширялись практически со скоростью света, то после рост стремительно замедлился и в первые 10 млрд лет темп сохранялся довольно низким. После скорость расширения Вселенной снова начала расти. Предполагается, что именно тёмная энергия усилила влияние на расширение структуры пространства. Известно, что буквально на днях SpaceX успешно запустила телескоп «Эвклид», предназначенный для изучения тёмной материи и тёмной энергии.

Расположение и перемещение галактик во Вселенной отнюдь не случайно. Помимо явных скоплений галактики связаны нитеподобными структурами. По всей видимости, в основе «нитей» лежит тёмная материя, которая постепенно собирала вокруг себя обычное вещество. Вначале это была слабая космическая паутина, но со временем она становилась всё более прочной и заметной. «Джеймс Уэбб» смог проследить начало формирования призрачных нитей, связывающих галактики в огромные структуры.

Кругами отмечены связанные космической нитью галактики, а объединяющий квазар находится в центре трёх кругов справа. Источник изображения: NASA, ESA, CSA

Центрами «сборки» космической паутины считаются сверхмассивные чёрные дыры или активные ядра галактик, которые также называют квазарами. Наблюдение за одним квазаром (J0305-3150) в ранней Вселенной в эпоху реионизации позволило выявить 10 связанных с ним галактик, соединённых космической «нитью» длиной 3 млн световых лет.

«Я был удивлен тем, насколько длинной и узкой является эта нить, — сказал участник исследования Сяохуи Фань (Xiaohui Fan) из Университета Аризоны в Тусоне. — Я ожидал найти что-то, но не ожидал такой длинной, отчётливо тонкой структуры». Руководитель проекта Фейдж Ванг (Feige Wang) из того же университета добавил: «Это одна из самых ранних связанная с далёким квазаром нитевидных структур, которые люди когда-либо находили».

Со временем эта нить превратится в громадное галактическое скопление, и оно где-то есть, а изучение космической паутины на ранних этапах даёт возможность проследить за эволюцией таких процессов.

Проделанная учёными работа входит в рамки проекта по изучению самых первых чёрных дыр. Всего в рамках программы ASPIRE (A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era) будут наблюдаться 25 квазаров, существовавших в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Программа призвана решить множество загадок, связанных с эволюцией чёрных дыр и одна из них — это слишком быстрое их появление в виде сверхмассивных объектов, на что, в теории, в те времена не хватило бы и времени, и материи.

Группы учёных из Австралии, США, Европы, Китая и Индии независимо друг от друга опубликовали материалы об обнаружении признаков низкочастотных гравитационных волн — это ещё не совсем их открытие, но результаты наблюдений с высокой вероятностью свидетельствуют о том, что зафиксировано нечто значимое. Астрономам удалось «услышать» низкочастотные гравитационные волны — слабую рябь ткани Вселенной, вызванную движением сверхмассивных объектов, которые растягивают и сжимают пространство.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Ещё Эйнштейн предсказал, что по мере своего движения в пространстве и времени сверхтяжёлые объекты создают рябь, которая проходит по ткани Вселенной — иногда эту рябь называют фоновой музыкой Вселенной. В 2015 году эксперимент LIGO помог обнаружить гравитационные волны и доказать правоту Эйнштейна, но до сих пор они фиксировались лишь на высоких частотах. То были отдельные быстрые «щебетания», которые происходят только в определённые моменты, например, когда друг с другом сталкиваются относительно небольшие чёрные дыры и мёртвые звезды.

В последнем исследовательском проекте учёные пытались обнаружить гравитационные волны на гораздо более низких наногерцовых частотах — периоды этой медленной ряби могут составлять годы и даже десятилетия. Исходит она, вероятно, из самых больших объектов Вселенной — сверхмассивных чёрных дыр массой в миллиарды солнечных. Но есть и другие «подозреваемые»: космические струны, фазовые изменения Вселенной, быстрое расширение пространства после Большого Взрыва. Возможно, и сам Большой Взрыв, но длина гравитационной волны от него была бы размером во Вселенную, и для неё потребовался бы детектор сравнимых масштабов.

Галактики во Вселенной постоянно сталкиваются и сливаются. Схожие процессы наблюдаются и у сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Они сближаются, вращаются вокруг друг друга и в итоге тоже сливаются, испуская во время взаимодействия гравитационные волны. Если сравнить столкновение сверхмассивных чёрных дыр с брошенным в пруд камнем, то создаваемая им рябь на поверхности пруда — это низкочастотные гравитационные волны. Они расходятся одновременно во все стороны со скоростью света, сжимая и растягивая пространство и время. Зафиксировать эту рябь напрямую доступными человеку инструментами невозможно — длина такой наногерцовой волны может измеряться световыми годами. Проще говоря, Земля слишком мала, и понадобился бы детектор галактических масштабов. На их обнаружение непрямыми методами у учёных NANOGrav ушло 15 лет, и в своей работе они использовали оборудование, установленное по всей Северной Америке. Астрономы других стран опирались на результаты исследований, продолжавшихся до 18 лет.

Обсерватория Very Large Array. Источник изображения: nrao.edu

Мы живём в галактике, которая намного больше Земли, и в ней есть объекты, при помощи которых можно непрямыми методами зафиксировать признаки низкочастотных гравитационных волн. Это радиопульсары — мёртвые звёзды, которые при вращении испускают всплески электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне. Эти всплески отличаются строгой периодичностью как своего рода идеально точные часы, расположенные далеко в космосе. Но по мере того как гравитационные волны искажают ткань пространства и времени, они изменяют расстояние между Землёй и этими пульсарами, искажая тем самым этот чрезвычайно стабильный ритм. Одного мелкого сбоя в периодическом событии, конечно, недостаточно. Но если отслеживать множество пульсаров в течение долгого времени и отмечать связанные сбои в частоте радиовсплесков, действительно можно зафиксировать признаки низкочастотной гравитационной волны.

В рамках исследовательского проекта астрономы NANOGrav наблюдали за 68 пульсарами при помощи радиотелескопов «Грин-Бэнк» (США, Западная Вирджиния), «Аресибо» (Пуэрто-Рико) и Very Large Array (США, Нью-Мексико). Аналогичные свидетельства нашли другие команды учёных, следившие за другими пульсарами при помощи телескопов по всему миру. Всего было собрано материала по 115 пульсарам за 18 лет. Астрономия временных массивов пульсаров — долгосрочный проект, но учёные уже максимально близки к подтверждению открытия. Исследователи объединили данные своих наблюдений — окончательный результат должен быть получен в течение года или двух.

К сожалению, этот метод не позволяет отследить, откуда именно исходят те или иные низкочастотные гравитационные волны — он просто раскрывает постоянный гул, окружающий нас. Аналогичным образом человек на шумной вечеринке слышит, что множество людей разговаривает, но не может расслышать ничего конкретного.

Уже сейчас есть причины утверждать, что обнаруженный учёными фоновый шум низкочастотных гравитационных волн оказался «громче», чем ожидалось. Это может означать, что слияния чёрных дыр происходят чаще, чем считалось, или наше представление о природе Вселенной не вполне соответствует действительности. Исследователи надеются, что открытие поможет нам узнать больше о сверхмассивных объектах Вселенной, открыть новые двери «космической археологии» и отследить историю слияния чёрных дыр и галактик вокруг нас.