Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» продолжает делать открытия, которые ставят под сомнение основы современных космологических теорий. Чувствительности инфракрасных приборов телескопа хватает на то, чтобы различать объекты на ранних этапах эволюции Вселенной. Вопреки ожиданиям, там оказалось много звёзд и галактик, которым нет места в научных теориях. Новое открытие ещё сильнее озадачило учёных.

Шесть галактик-кандидатов на звание самых массивных из самых ранних во Вселенной. Источник изображения: NASA / ESA / CSA / I. Labbe

Первые наблюдения «Уэбба» в прошлом году позволили обнаружить множество кандидатов в первые звёзды и галактики в те времена, когда Вселенной было от 300 до 800 млн лет (сейчас Вселенной 13,8 млрд лет). На этом этапе развития Вселенной в пространстве было ещё мало вещества, чтобы звёзды формировались в больших количествах и галактики были бы большими, например, сравнимыми с нашей. Поэтому сам факт обнаружения так рано появившихся звёзд и галактик не очень удивляет. Удивляет то, насколько их оказалось много. Очень много!

Новая работа позволила определить шесть галактик-кандидатов не просто в самые молодые галактики, а в молодые массивные галактики, появившиеся в период от 500 до 800 млн лет после Большого взрыва. По количеству звёзд обнаруженные объекты оказались сравнимы с Млечным Путём — в них до 100 млрд звёзд. Это астрономы определили косвенно по яркости объектов. Чтобы такие галактики могли образоваться на столь раннем этапе развития Вселенной там каждый год должны были рождаться по сотне звёзд, тогда как в галактиках нашего типа (в спиральных) рождается примерно по три звезды в год.

Все кандидаты ещё пройдут спектроскопическое наблюдение, которое точно определит величину красного смещения в спектрах этих объектов и даст окончательное заключение насколько далеко они находятся от нас и как рано возникли во Вселенной. Учёные продолжат собирать информацию по этим и другим объектам на заре рождения нашего Космоса, хотя уже понятно, что «Джеймс Уэбб» удивил и продолжит удивлять нас новыми открытиями.

Международная группа учёных утверждает, что ей удалось разгадать одну из сложнейших загадок астрофизики без необходимости дополнять существующие модели: учёные уверены, что обнаружили в чёрных дырах энергию вакуума, которая способствует расширению Вселенной.

Источник изображения: Alexander Antropov / pixabay.com

О расширении Вселенной учёные знают с двадцатых годов прошлого века, но в течение нескольких десятков лет считалось, что под действием гравитационных сил этот процесс должен замедляться. В девяностые астрономы при помощи космического телескопа «Хаббл» (Hubble) обнаружили, что происходит прямо противоположное: чем дальше объект, тем быстрее он от нас удаляется, а значит, с течением времени расширение Вселенной ускоряется. Поэтому в модели того времени ввели «тёмную энергию», которая заставляет объекты отталкиваться друг от друга. Признаки этой энергии учёные ищут повсюду, и в рамках нового исследования стало ясно, что скрываться она может внутри чёрных дыр.

Вопреки тому, чего можно было ожидать, вакуум не совсем пуст — из случайных флуктуаций производится так называемая энергия вакуума, которая может работать против гравитационных сил и воздействовать на процессы расширения Вселенной. В некоторых моделях предполагается, что энергия вакуума может обнаруживаться в чёрных дырах, и учёные утверждают, что в новом исследовании это было подтверждено наблюдениями. Для обоснования этого тезиса учёные изучили эволюцию сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик за последние 9 млрд лет. Такие чёрные дыры набирают массу за счёт поглощения пыли, газа, звёзд и других чёрных дыр, но в гигантских эллиптических галактиках, в которых газ и пыль закончились, они должны были прекратить свой рост. Однако сравнение далёких и близких эллиптических галактик показало, что сверхмассивные чёрные дыры в их центре продолжают набирать массу за счёт какого-то другого механизма. И если это энергия вакуума, то они способствуют расширению Вселенной, наращивая по мере этого свою массу — этот процесс назвали «космологической связью».

Авторы исследования утверждают, что предложенная ими модель отличает высокая точность — она не требует введения новых элементов в существующие модели, а предлагает закрывать пробелы чёрными дырами, как и предсказывала общая теория относительности Эйнштейна. Кроме того, современные модели предполагают, что чёрные дыры содержат так называемую сингулярность — точку, в которой нарушаются законы физики. Поэтому для их описания либо находят какие-то обходные пути, либо говорят, что существующие модели неполны. Если же чёрные дыры действительно содержат энергию вакуума, то сингулярностями можно больше не оперировать, и это может стать крупным прорывом в формировании научной картины мира. Но подтверждение новой модели потребует дальнейших исследований и наблюдений.

Результаты исследования учёные изложили в научных журналах The Astrophysical Journal и The Astrophysical Journal Letters.

Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» провела серию наблюдений, в ходе которых делаются так называемые снимки глубокого поля. Камеры телескопа день за днём открывались на 4–6 часов в сутки для сбора света из одной и той же области пространства. Это позволяет заглянуть так далеко в юную Вселенную, куда до сих пор глаз человека не смотрел. Улов учёных оказался настолько внушительным, что даже поверхностный анализ займёт несколько месяцев.

Нажмите для увеличения. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, I. Labbe и R. Bezanson. Обработка изображения: Alyssa Pagan (STScI)

В этот раз наблюдения проводились в области скопления Пандора (Abell 2744). Это область, где несколько крупных скоплений галактик собираются в одно мегаскопление. Подобное сосредоточение массы в космическом пространстве настолько сильно искажает гравитацию вокруг себя (пространство-время по Эйнштейну), что свет от далёких объектов искажается вплоть до увеличения. Этот эффект называется гравитационным линзированием и позволяет лучше рассмотреть далёкие объекты — звёзды и галактики — если те находятся близко к линии зрения на массивные образования и при этом расположены далеко за ними.

Область Abell 2744 ранее рассматривал телескоп «Хаббл» и тоже делал снимок глубокого поля в этом месте пространства. Телескоп «Уэбб» тоже три раза снимал эту область, но с небольшой экспозицией. Снимок глубокого поля области скопления Пандоры «Джеймс Уэбб» делал в сумме 30 часов и включил остальные наблюдения для создания более полного панорамного изображения.

По данным «Уэбба», снимок запечатлел свыше 50 тыс. объектов, видимых в инфракрасном диапазоне, что в принципе было недоступно «Хабблу». За счёт эффекта гравитационного линзирования получены изображения далёких галактик во времена молодой Вселенной. На основе этого наблюдения астрономы начали отбор кандидатов для дальнейшего более детального изучения этих объектов.

В частности, для подтверждения возраста кандидатов будут изучаться спектры таких галактик для определения величины красного смещения, которая служит точным подтверждением возраста звёзд и галактик. Провести эти работы команда астрономов надеется летом этого года, но все полученные «Уэббом» данные выкладываются в открытый доступ и могут свободно изучаться другими командами учёных.

Астроном-любитель Джузеппе Донатьелло (Giuseppe Donatiello) обессмертил своё имя, сделав ручной анализ снимков неба, отправленных в открытый доступ. Среди россыпи слабых звёзд на одном из изображений энтузиаст выявил три далёкие галактики. Это открытие было позже подтверждено снимком с «Хаббла» и стало частью важного исследования, а новые галактики получили имя Донатьелло (II, III и IV).

Нажмите для увеличения. Источник изображения: NASA/ESA Hubble Space Telescope

Проанализированные энтузиастом данные были получены в рамках шестилетних наблюдений по программе Dark Energy Survey (DES). Программа призвана изучать крупномасштабные объекты во Вселенной и эффект её расширения. Наблюдения проводятся на 4-м телескопе им. Виктора Бланко в Чили. Ещё до попадания данных в открытый доступ информацию просеивает алгоритм, но, как мы вновь убедились, компьютеры не всесильны. Три далёких галактики в шуме и россыпях слабых звёзд смог различить только натренированный человеческий глаз.

Увеличенная центральная область снимка

Все три новых галактики являются спутниками хорошо известной галактики Скульптор (NGC 253). Это означает, что эти объекты гравитационно связаны друг с другом и с более массивным компаньоном NGC 253. Именно этот вопрос был предметом исследований группы астрономов, которые использовали «Хаббл» для подтверждения открытия Донатьелло и связи найденных им галактик с галактикой Скульптор.

Группа британских учёных открыла существование такой формы льда, которая ещё не обнаруживалась. Этот лёд выглядит как мелкий порошок, но по своим свойствам и структуре больше похож на жидкую воду. На Земле нет естественных условий для образования подобных форм, но в космосе и на холодных лунах планет-гигантов его может быть в избытке. Изучение новой формы льда поможет продвинуться в понимании всех свойств воды, как основы биологической жизни и не только.

Лёд в шаровой мельнице. Источник изображения: Christoph Salzmann

Науке известно 20 форм кристаллического льда и только две формы аморфного льда. В земных условиях повсеместно встречается обычный кристаллический лёд формы I_h и, реже, две других формы кристаллического льда: один только в верхних слоях атмосферы (I_с), а другой в Антарктиде (XI). Две известные аморфные формы льда распространены в космических условиях, где недостаточно тепла для роста кристаллов и такой лёд по структуре напоминает жидкую воду, вот только одна аморфная форма льда имеет плотность ниже плотности воды (0,94 г/см³), а другая — выше (1,13 г/см³). Аморфный лёд с плотностью воды или стекловидная форма воды не был обнаружен, и это не позволяло учёным до конца понять некоторые загадочные состояния воды.

Слева аморфная структура льда, похожая на воду. Справа структура кристаллического льда. Источник изображения: University of Cambridge

Учёные из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета провели эксперимент, который лежал на поверхности, но почему-то не был поставлен. Они охладили обычный лёд в шаровой мельнице до температуры жидкого гелия и перемололи лёд до состояния порошка с практически полным разрушением кристаллической структуры. На выходе получился лёд с аморфной структурой, как у воды, и, что самое удивительное, плотность такого льда оказалась примерно такой же, как у воды — около 1.

Плотность и структура новой формы льда, которую назвали льдом средней плотности (MDA), была подтверждена спектральным, рентгеновским и другими методами. Также выяснилось, что при кристаллизации, которая запускается после определённого нагрева льда средней плотности, выделяется неожиданно много энергии. Учёные предположили, что благодаря такому свойству многокилометровые залежи подобного льда на ледяных лунах планет-гигантов являются источниками естественных тектонических процессов на этих небесных телах.

Один из авторов исследования сказал: «Существующие модели воды должны быть заново проверены. Они должны быть способны объяснить существование аморфного льда средней плотности. Это может стать отправной точкой для окончательного объяснения свойств жидкой воды».

Современные астрономические приборы не обладают достаточной чувствительностью для массового открытия экзопланет размерами с Землю. Поэтому среди 5200 открытых экзопланет землеподобных планет менее 1,5 %, а планет в пригодной для возникновения жизни зоне обитания и того меньше — всего около дюжины. Тем ценнее находка новых миров, похожих на Землю в зоне пригодной для жизни. Недавно был обнаружен ещё один такой мир.

Планета у красного карлика глазами художника. Источник изображения: NASA/Ames Research Center/Daniel Rutter

Команда астрономов из Института астрономии Общества Макса Планка в Гейдельберге, а также Обсерватории Калар Альто в Испании получила данные, которые свидетельствуют о наличии планеты с массой 1,36 массы Земли у красного карлика Wolf 1069 спектрального класса M. Планета обнаружена методом транзита, когда она проходит по диску звезды в своём орбитальном движении и на время снижает её видимую яркость.

Снижение яркости происходило раз в 15,6 суток, что говорит о соответствующем периоде обращения экзопланеты Wolf 1069 b вокруг своей звезды. Из этого учёные сделали вывод, что планета находится на удалении примерно 1/15 расстояния от звезды, если за сравнение брать удаление Земли от Солнца. Для экзопланеты Wolf 1069 b это неопасная дистанция, поскольку звезда такого класса светит намного слабее Солнца. Так, согласно расчётам, экзопланета получает на 35 % меньше лучистой энергии, чем Земля.

Более того, анализ данных показывает, что экзопланета Wolf 1069 b находится в приливном захвате или постоянно обращена к звезде одной стороной. Даже в таком режиме на солнечной стороне Wolf 1069 b температура будет порядка -23 °C. Но если у экзопланеты есть атмосфера (а на данном уровне развития науки мы не можем это определить), то температура попадёт в условно комфортные для возникновения биологической жизни 13 °C.

Расположение экзопланеты Wolf 1069 b в обитаемой зоне своей звезды

По мере появления у нас новых инструментов — сверхбольших телескопов и спектрометров, что произойдёт к концу текущего десятилетия и позже, учёные смогут получать детальные данные о наличии и составах атмосфер у экзопланет. Это тем более касается объектов на сравнительно небольшом удалении от нас, как в случае звезды Wolf 1069, до которой всего 31 световой год. Как минимум это будет один из первых кандидатов для подробного изучения условий для возникновения там биологической жизни.

Проект SYSTEM Sounds представил волшебное «пение» пространства вокруг одной из самых красивых звёзд нашей галактики — цефеиды RS Кормы (RS Puppis). Эта звезда переменной яркости окружена облаками пыли, в которых её свет рассеивается волнами. Такая картина достойна кисти художника и, как оказалось, нотной тетради композитора. Привязав на изображении яркость к громкости звука и высоту тона к направлению, картину удалось превратить в симфонию.

Источник изображения: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration

Это не первый проект SYSTEM Sounds. Ранее мы могли послушать «ужасающе» звуки чёрной дыры. С одной стороны, подобные проекты несут на себе груз просветительских задач, привлекая к познанию мира своей яркостью. Но в этом есть также научная цель. Перевод изображений в звуковой ряд помогает обнаруживать трудно различимые детали, включая поиск закономерностей и отсеивание шума. Например, понижение частоты звучания магнитосферы Ганимеда, записанной зондом «Юнона», помогло улучшить анализ происходящих там процессов.

Снимок пространства вокруг звезды RS Кормы был сделан телескопом «Хаббл». «Сонификация» перевела изображение пространства в волшебное стереофоническое звучание, которое по мере сужения круга к звезде становится всё громче, завершаясь единым слиянием звуков.

Выбор для этих целей одной из цефеид — звёзд переменной яркости — был сделан не случайно. За счёт чёткой периодичности в смене яркости мы можем точно знать о её настоящей светимости и, тем самым, легко рассчитывать расстояние до таких звёзд. Это настоящие маяки в ближней к нам Вселенной. Перевод света в звук даёт больше информации о таких звёздах, а в таких случаях данных много никогда не бывает. Во всяком случае, это просто красиво.

В журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society группа астрономов опубликовала результаты многолетнего исследования, в ходе которого впервые удалось напрямую измерить массу одиночного белого карлика — останков звезды типа нашего Солнца. До этого массу белых карликов измеряли лишь в двойных системах. Оценить массу одиночного объекта не представлялось возможным, но теперь у учёных такой инструмент есть.

Источник изображений: NASA

При наблюдении звёздного неба существует такой феномен, как гравитационное линзирование или микролинзирование. Подобные явления возникают, когда свет от далёких-далёких звёзд проходит рядом с массивными объектами от невидимых чёрных дыр до звёзд. Массивные объекты преломляют свет настолько сильно, насколько они большей массы. Это смещает далёкие звёзды со своих видимых позиций в небе и тем сильнее, чем тяжелее объект на переднем плане. По этим смещениям и можно вычислить массу объекта. Другое дело, как уловить тот редкий момент, когда интересующее нас небесное тело будет проходить над фоновыми звёздами и проявит себя в эффекте микролинзирования?

На помощь учёным пришёл проект Gaia Европейского космического агентства. Астрометрическая космическая лаборатория Gaia в настоящий момент определила точные координаты и скорости более чем 2 млрд звёзд. По этим данным можно точнейшим образом прогнозировать бесчисленное множество наблюдений, чем воспользовались астрономы из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Астрономы узнали, когда одиночный белый карлик LAWD 37 будет проходить на фоне нужной звезды и несколько лет наблюдали, как он искажал свет от неё.

Помог в наблюдениях телескоп «Хаббл». У этого инструмента отличные возможности для контрастных снимков, поскольку свет даже от тусклого белого карлика в 400 раз превосходил яркость света от фоновой звезды, что очень и очень затрудняло измерения. Измерение «скачков» фоновой звезды по небу учёные сравнили с попыткой измерить длину автомобиля на Луне земным наблюдателем. Кстати, такие же наблюдения астрономы планируют на «Джеймсе Уэббе», для которого видимый свет представляет собой меньшую помеху («Уэбб» преимущественно работает в инфракрасном диапазоне, в отличие от «Хаббла»).

Расчёты показали, что белый карлик LAWD 37 имеет 56 % массы Солнца. Знание этой величины и диаметра потухших остатков звезды позволит уточнить плотность её вещества и физические и химические реакции в её недрах. Чем точнее и больше астрономы смогут измерять массы белых карликов, тем точнее будет модель эволюции звёзд, к семейству которых также принадлежит наше Солнце.

Через пять млрд лет Солнце точно также превратит весь свой водород в гелий, сбросит оболочку, а его ядро превратится в то, что мы называем белым карликом — остывающую млрд лет массу вещества. Многие сочтут такие знания бесполезными, но они приближают нас к пониманию множества других процессов во Вселенной, в которой всё связано между собой и нет ничего лишнего.

Международный коллектив астрономов разработал самую подробную на сегодняшний день карту распределения материи во Вселенной. Она включает в себя описание не только объектов обычной материи, из которой сформировались планеты, звёзды, чёрные дыры и галактики; но также тёмной материи — неизученной невидимой массы, которая создаёт более высокую гравитацию, необъяснимую с позиции обычной материи.

Южный полярный телескоп. Источник изображения: pole.uchicago.edu

Фактическое распределение материи в пространстве не вполне соответствует ожиданиям учёных, а значит, в текущей стандартной космологической модели чего-то не хватает. Предполагается, что в момент Большого взрыва вся материя Вселенной была собрана в сингулярность — единую точку с бесконечной плотностью и чрезвычайно высокой температурой, которая внезапно взорвалась и извергла кварки, которые сформировали протоны и нейтроны. Спустя несколько сотен тысяч лет образовались атомы водорода и гелия, из которых стали формироваться объекты Вселенной.

Дальнейшее распределение этих атомов — своего рода детективная работа, исходной информацией для которой является то, как выглядит Вселенная сегодня. Около 75 % материи во Вселенной до сих пор остаются совершенно невидимыми для современных методов наблюдения — эта тёмная материя обнаруживается лишь косвенно, поскольку она создаёт более сильное гравитационное поле, чем должно быть, исходя из свойств обычной материи. Это проявляется, например, в том, что галактики вращаются быстрее, чем должны, а также в эффекте гравитационного линзирования. Когда нечто имеет очень высокую массу, например, скопление тысяч галактик, гравитационное поле оказывается достаточно сильным, чтобы искривлять пространство и время: проходящий через такую гравитационную линзу свет меняет траекторию и может усиливаться.

Карты неба на основе данных Dark Energy Survey (слева) и Южного полярного телескопа (справа). Источник изображения: sciencealert.com

При создании карты материи Вселенной учёные сравнивали данные о гравитационных линзах, собранные в рамках проекта Dark Energy Survey в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, а также полученные Южным полярным телескопом, который осуществляет измерение слабого космического микроволнового фона — реликтового излучения, возникшего в эпоху первичной рекомбинации водорода вскоре после Большого взрыва. Два источника информации обеспечили перекрёстную проверку данных.

Итоговая карта была построена на положениях галактик, их линзировании и линзировании космического микроволнового фона — эти данные можно использовать для выстраивания гипотез о распределении материи во Вселенной. Далее её можно будет сравнивать с другими моделями и симуляциями эволюции Вселенной, что позволит понять, соответствует ли теория фактическому распределению материи. Учёные уже провели несколько сравнений и обнаружили, что построенная ими карта преимущественно соответствует моделям за исключением небольших различий: материя распределяется более равномерно, чем предсказывает теория.

Итоги работы представлены в трёх публикациях американского научного журнала Physical Review D.

Согласно новым исследованиям, наша галактика Млечный Путь оказалась заметно легче, чем предполагалось по оценённой ранее плотности распределения материи во Вселенной. В нашей галактике оказалось только 10 % обычного вещества, тогда как в остальной Вселенной его в среднем 16 %, а всё остальное и у нас и в остальной части пространства — это тёмная материя. В Млечном пути её оказалось на 6 % больше, что удивительно.

Радиотелескоп DSA-110. Источник изображения: Caltech

Новые данные об объёме барионной (обычной или регистрируемой) материи в Млечном Пути получены после изучения загадочных быстрых радиовсплесков (Fast Radio Bursts, FRB). Первый такой радиосигнал миллисекундной длительности и мощности в несколько дней светимости Солнца был случайно зарегистрирован в 2007 году. Природа этого явления остаётся неизвестной и для её разгадки, в частности, в США под патронатом Калтеха создаётся радиотелескоп Deep Synoptic Array (DSA-110). Радиотелескоп будет состоять из 110 разнесённых «тарелок», первые 65 из которых начали принимать данные примерно год назад.

Массив DSA-110 должен будет помочь в привязке FRB к небесным объектам — он будет максимально точно определять, откуда исходит радиосигнал, что поможет в поиске его источников. За 2022 год обсерватория засекла 30 событий FRB, что больше, чем за все годы с момента регистрации первого события 15 лет назад. Кроме главной цели обсерватории — привязки FRB к объектам на небе — анализ принятого радиосигнала позволяет получить и другие данные. Например, узнать о распределении материи на пути следования радиоимпульса от неизвестного источника к Земле.

В зависимости от того, какие частоты в принятом радиосигнале отсутствуют (поглощены на пути следования сигнала), мы можем точно рассчитать, какой и сколько материи было на пути радиоимпульса. Это ведёт к количественной оценке вещества в нашей галактике. Млечный Путь оказался более прозрачным, чем остальная Вселенная: в нём меньше 10 % барионного вещества и более 90 % тёмной материи.

Астрономы считают, что этого можно было ожидать. Существующие модели эволюции галактик допускают сценарии, когда материя на определенных этапах изгоняется из гало галактик, а на других — втягивается обратно. Впрочем, наблюдения продолжатся и обещают принести много нового в понимание процессов во Вселенной. Статья о работе доступна на сайте arXiv.org по ссылке.

В новом обзоре плоскости нашей галактики Млечный Путь астрономы из США представили беспрецедентный по детализации каталог большого участка, на котором находится 3,32 млрд каталогизированных объектов. Это означает, что каждый объект индивидуален, строго определён и может быть использован для научных наблюдений. Это как общая фотография с изображением 3,32 млрд людей, на которой каждый человек легко узнаваем. Просто невероятно!

Источник изображений: NOIRLab

Панорамное изображение в полном разрешении и каталог свободно доступны по этой ссылке. Это вторая редакция обзора, сделанного с помощью камеры для изучения темной энергии (DECaPS2), построенной Министерством энергетики США в Межамериканской обсерватории Серро Тололо NSF в Чили в рамках программы NOIRLab. Скрывать такие данные нет смысла. Учёные их будут десятилетиями разбирать и анализировать. А ведь даже такой объём информации — это иголка в стоге сена. Обзор охватил только 6,5 % плоскости Млечного Пути, и будут новые и новые редакции этого и других обзоров.

Обзор неба камерой DECaPS2 — это обзор плоскости Млечного Пути на южном небе, сделанный в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах волн. Первая порция данных DECaPS была опубликована в 2017 году, а с добавлением новых данных обзор теперь охватывает 6,5 % ночного неба с охватом на впечатляющие 130 градусов в длину. Хотя это может показаться скромным, но это в 13 000 раз больше угловой площади полной Луны.

В ходе двухлетней работы DECaPS2 было получено более 10 Тбайт данных от 21 400 отдельных экспозиций. Наблюдение позволило различить около 3,32 млрд объектов, что, возможно, представляет самый большой каталог, составленный на сегодняшний день для одной камеры. И ведь для этого использовался ещё не самый большой телескоп — всего лишь с 4-м зеркалом Víctor M. Blanco в Межамериканской обсерватории Серро Тололо (CTIO).

В данном наблюдении впервые были реализованы алгоритмы, позволяющие лучше отделить фон от объекта. Близкие и дальние звёзды накладываются друг на друга, как и расположение звёзд на фоне светящихся галактик не позволяет отделить один объект от другого. Наконец, пылевые облака не проницаемы для видимого диапазона электромагнитных волн, с чем пришлось бороться наблюдениями в ближнем инфракрасном диапазоне. Результатом этого стало появление беспрецедентного по детализации каталога DECaPS2 второй редакции. В сочетании с другими наблюдениями мы всё лучше и лучше представляем трёхмерную карту нашей галактики. А настоящее путешествие всегда начинается с хорошей карты.

Согласно общепринятой модели эволюции звёзд, в нашей галактике должно наблюдаться примерно в пять раз больше остатков сверхновых, чем было обнаружено до сих пор. Разобраться в этом вопросе помогло совместное наблюдение за одним и тем же участком неба двух радиотелескопов, совместив данные от которых учёные обнаружили целое «кладбище» сверхновых там, где раньше ничего не было видно.

Зелёным цветом показан водород (газ), светлые пятна — останки сверхновых. Источник изображения: R. Kothes (NRC) и PEGASUS

В работе принимали участие два радиотелескопа из Австралии: Обсерватория Паркса (Parkes) и интерферометр «АСКАП» (ASKAP). Первый за счёт вращающейся 64-м тарелки помогает изучать области пространства в широком диапазоне, но с небольшим угловым разрешением, а второй, за счёт массива антенн, даёт возможность обнаруживать мелкие детали, обладая высоким угловым разрешением благодаря далеко разнесённым 36 антеннам диаметром 12 м каждая.

Телескоп Parkes позволил нанести на карту массивы водородных облаков, оставшихся после взрывов сверхновых, а ASKAP обнаружил остатки ядер сверхновых и позволил связать их с рассеянными взрывами газовыми облаками. И если ранее в этой области пространства наблюдались всего семь останков сверхновых, то совмещённые данные раскрыли расположение ещё свыше 20 новых останков эволюционировавших до своей смерти звёзд.

Совместная работа Parkes и ASKAP вскрыла около 1 % области галактической плоскости Млечного Пути. И это только начало. Команда учёных рассчитывает охватить область нашей галактики в сто раз большую, чем было рассмотрено, чтобы с той же детализацией составить карту большей части нашей галактики. Специалисты уверены, что эта работа позволит обнаружить до 1500 новых останков сверхновых.

Международная группа физиков впервые провела исследование уникального события — частичного приливного разрушения — и, что самое ценное, создала модель подобных явлений. В далёкой галактике была зафиксирована встреча звезды со сверхмассивной чёрной дырой, которая лишь частично сорвала внешнюю оболочку звезды и не смогла уничтожить её полностью. Этот случай заставит учёных по-новому взглянуть на эволюцию чёрных дыр.

Источник изображения: ESO/M. Kornmesser

Сотрудники Европейской южной обсерватории, Сиракузского университета и Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института опубликовали в журнале The Astrophysical Journal Letters статью, в которой рассказали о наблюдении события приливного разрушения AT2018fyk. Сначала всё шло как обычно. В рентгеновском диапазоне было зафиксировано увеличение яркости, которая постепенно снижалась и резко оборвалась через 600 дней (от звезды было оторвано вещество и оно аккрецировало на чёрную дыру). Но через 1200 дней яркость объекта снова резко возросла, что указало на повторяющееся событие.

До этого момента учёные не фиксировали во Вселенной повторяющиеся события приливного разрушения. Согласно проведенным оценкам, звезда при проходе близко к сверхмассивной чёрной дыре теряла от 1 до 10 % вещества. Если потеря приближалась к 10 %, то наблюдение за AT2018fyk больше не покажет вспышек, что будет означать полный захват чёрной дырой вещества звезды. Если звезда при сближении с чёрной дырой теряет около 1 % вещества, то вспышки будут наблюдаться ещё несколько раз.

Полученные данные позволили создать и проверить на симуляторе модель повторяющихся событий приливного разрушения. Для астрофизики это означает уточнение ряда физических характеристик сверхмассивных чёрных дыр, а также сценариев их эволюции. Теперь учёные намерены повторно изучить все ранее замеченные во Вселенной факты событий приливного разрушения, чтобы понять, насколько это явление распространено. Как минимум, это может объяснить повторяющиеся долгопериодические вспышки неизвестного происхождения из одного источника из глубин Вселенной.

Сравнительно недалеко от нас, на расстоянии всего 500 млн световых лет, замечено образование пары из сверхмассивных чёрных дыр. Поразительно, но эта пара возникла не из двойной звёздной системы. Каждый из этих объектов пришёл на встречу издалека вместе со своей собственной галактикой, и теперь они на пару «закусывают» окружающими их звёздами и веществом своих галактик пока не сольются в одну ещё более массивную чёрную дыру.

Тесная пара чёрных дыр в представлении художника. Источник изображения: scitechdaily.com

Открытие сделано благодаря наблюдению за объектом UGC4211 в созвездии Рака. Это кандидат на роль сливающихся галактик на поздних стадиях процесса. Примерно на такой стадии и в такой последовательности через 4,5 млрд лет будет проходить слияние нашей галактики Млечный Путь с галактикой Андромеда, с которой мы уже фактически пришли в соприкосновение.

Астрономы уже давно наблюдают за UGC4211 во всём доступном диапазоне электромагнитного излучения от гамма до оптического, а новые наблюдения с помощью радиотелескопа ALMA (Атакамского большого миллиметрового/субмиллиметрового массива) добавили ряд ключевых и неизвестных до этого деталей. Главным из наблюдений стало то, что в самой горячей области в месте слияния галактик учёные обнаружили не одну, а две соседствующие сверхмассивные чёрные дыры.

Тесная пара чёрных дыр по данным наблюдений. Источник изображения: M.J. Koss

Согласно сделанным выводам, до встречи каждая из двух обнаруженных чёрных дыр располагалась в центре своей галактики. После слияния галактик чёрные дыры рекордно сблизились до расстояния всего в 750 световых лет и продолжают расти на поглощении окружающего вещества. Происходящие процессы с большой вероятностью приведут в будущем к слиянию этих сверхмассивных чёрных дыр.

Тем самым у нас появляется возможность регистрировать гравитационные волны от нового механизма слияния таких объектов, тогда как раньше мы искали гравитационные волны от слияния чёрных дыр в двойных звёздных системах. Это тем более важно, что слияние галактик чаще происходило в ранней Вселенной, о которой мы знаем очень и очень мало. Сделанное у нас под боком открытие позволяет надеяться, что во времена рассвета Вселенной возникло множество пар чёрных дыр от слияния галактик, а детектирование гравитационных волн от слияния таких пар станет массовым явлением, которое прольёт свет на эволюцию галактик, чёрных дыр и самой Вселенной.

Столкновения галактик порождают гигантские ударные волны, что приводит к массе интересных явлений вплоть до запуска звездообразования и рождения новых галактик. Самым ярким таким объектом во Вселенной стала группа из пяти галактик Квинтета Стефана, которая не случайно попала на один из первых снимков «Джеймса Уэбба». В этой группе галактик происходят уникальные процессы, которые могут много рассказать об эволюции звёзд и галактик.

Три области детального исследования турбулентности межзвёздного газа. Источник изображения: ALMA, M. Weiss

Строго говоря, в группе галактик Квинтет Стефана тесно взаимодействуют только четыре галактики. Одна из них — NGC 7318b — влетела в группу на скорости порядка 800 км/с. Столкновение окружающего галактику облака межзвёздного газа с облаком газа другой галактики и всей группы породило ударную волну и вызвало разного рода турбулентности вселенских масштабов.

Судить о завихрениях и потоках межзвёздного газа — преимущественно молекулярного водорода — мы можем по инфракрасным наблюдениям «Джеймса Уэбба». О поведении холодного молекулярного водорода мы узнаём из радионаблюдений. Поэтому эти конкретные исследования были дополнены наблюдениями с помощью массива ALMA или Атакамского большого миллиметрового/субмиллиметрового радиотелескопа. Объединение двух баз данных позволило пролить свет на процессы, которые оставляют больше вопросов, чем дают ответов. И это замечательно! Без новых вопросов продвижения вперёд не будет.

Группа галактик Квинтет Стефана (нажмите для увеличения)

Вызванные распространением фронта ударной волны турбулентности разорвали старые газовые оболочки, что привело к появлению участков, где водород начал активно участвовать в процессах звездообразования. На одном из участков поля изображения, например, учёные разглядели протозвёздные диски и ожидают в этом месте зарождения новой карликовой галактики. Другие участки показывают совсем непонятные процессы, в ходе которых межзвёздный газ прошёл множество циклов нагревания и остывания. Физика такого явления остаётся малопонятной и потребует новых наблюдений.

К счастью, космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» вооружена спектрометрами и сможет нарисовать более полную картину процессов, происходящих в Квинтете Стефана. Спектры нагретого водорода дадут данные о скоростях и векторах его движения. Эта третья составляющая наблюдений объекта обеспечит детали, которые если не полностью, то в значительной степени приоткроют физику явлений и позволят уточнить модели эволюции звёзд и галактик.