После Большого взрыва газ в родившейся Вселенной был настолько горячий и плотный, что поглощал едва ли не все электромагнитные излучения. Тёмные века закончились с появлением первых звёзд, свет которых запустил повторную ионизацию газа в пространстве, что в итоге сделало Вселенную прозрачной для всех диапазонов наблюдения. Но это всё в теории. Как обстояли дела на практике, учёные могли только догадываться. Но «Джеймс Уэбб» изменил правила игры.

Галактики из ранней Вселенной, окружённые «пузырями» из прозрачного газа. Источник изображения: NASA, ESA, CSA

Высокий уровень чувствительности в инфракрасном диапазоне помог космической обсерватории «Джеймс Уэбб» заглянуть так далеко в раннюю Вселенную, как никогда раньше. Выбранное астрономами время наблюдения лежало на рубеже 900 млн лет после Большого взрыва. Это фактически на границе завершения эпохи реионизации, что позволяло увидеть картину распределения прозрачности газа в большом масштабе.

Для нас как для наблюдателей в это время вокруг галактик образовывалось что-то в виде огромных пузырей прозрачного газа. «Пузыри» были уже достаточно большими, чтобы увидеть их границы, и они ещё не начали сливаться друг с другом у соседних галактик. Это произойдёт намного позже — через сотни миллионов лет, и тогда Вселенная станет практически прозрачная для наблюдения во всех направлениях.

До наблюдений «Уэбба» эти пузыри эпохи реионизации никто воочию не наблюдал, но чтобы их обнаружить потребовались наблюдения целого ряда других телескопов. Более того, просто так «пузыри» были бы невидны. Потребовалось в некотором роде везение. Там далеко в ранней Вселенной ещё до появления искомых галактик обнаружился квазар. Кстати, «Уэбб» подтвердил, что это самый яркий квазар из обнаруженных в ранней Вселенной — масса чёрной дыры в центре этой активной галактики в 10 млрд раз превышает массу Солнца. Этот квазар как фонарик подсветил все галактики от него до нас, высветив прозрачные пузыри и снизив интенсивность свечения в непрозрачных областях.

Пример эволюции (реионизации) газа под воздействием активной «жизнедеятельности» галактик в ранней Вселенной

Картина получилась настолько интересной, что проводившие наблюдения астрономы поспешили опубликовать данные до полного разбора всей информации. В направлении квазара «Уэбб» сделал шесть снимков глубокого поля и сразу выхватил 117 галактик, разгоняющих «вселенский туман». Представленные сегодня данные опираются на анализ только одного снимка, а пять ещё в обработке. Но даже первый результат не позволил учёным сдержать себя, ведь такого ещё никто не видел.

Зафиксированный в октябре 2022 года гамма-всплеск GRB 221009A был в 1000 раз ярче, чем в среднем регистрируется при событиях такого рода. За это он получил собственное имя — BOAT (brightest of all time). Оказалось, что этот гамма-всплеск был нетипичным также в других проявлениях. Его джет по своей структуре отличался от типичной струи вещества. Это означает, что за явлением BOAT лежит другая и неизвестная нам физика процесса.

Джет в представлении художника. Источник изображения: NASA Goddard Space Flight Center

Анализ «ярчайшего за всё время» гамма-всплеска затруднён тем, что учёные не были готовы к его регистрации. Сигнал из космоса в буквальном смысле ослепил все гамма-детекторы в космосе и на Земле. Этого чудом удалось избежать единственному гамма-телескопу — китайской обсерватории GECAM-C. По чистой случайности часть её детекторов была отключена и этим была сильно понижена чувствительность оборудования. Тем самым китайцы помогли установить верхнюю границу события, которая, по их информации, была в 50 раз выше самого мощного ранее зарегистрированного гамма-всплеска.

Реконструкция NASA по данным нескольких гамма- и рентгеновских обсерваторий даёт более высокую оценку событию — в 70 раз мощнее предыдущего рекорда. Но суть явления это не меняет. И китайцы, и NASA сходятся в оценке порядка события. Но это, как оказалось, ещё не всё. Дальнейший анализ данных, в частности, с рентгеновских датчиков, выявил другие необычные особенности длинного гамма-всплеска GRB 221009A.

Так, разбор информации от космической рентгеновской обсерватории NASA NuSTAR позволил выявить значительную неоднородность в структуре джета — энергичной струи вещества, рождающего гамма-всплеск. Джет образуется в момент коллапса звезды в чёрную дыру. До сих пор джеты от таких явлений напоминали пулю — однородный по структуре энергии выброс. Рентгеновское наблюдение за ударными волнами после джета GRB 221009A показало, что выброс вещества в данном случае был энергетически неоднородным по всей своей протяжённости, что было впервые зарегистрировано для гамма-всплесков.

Учёные не исключают, что всему виной могла быть звезда, родившая гамма-всплеск в момент коллапса. Но мы уже не можем понять, какой она была, и почему джет во время её коллапса отличался от тысяч таких же во всех других случаях. Расшифровка поведения джета GRB 221009A может дать ответ на этот вопрос, подобно изучению следов на снегу. Возможно, в этом помогут данные других рентгеновских телескопов, хотя они не видят сам гамма-всплеск, но могут регистрировать его последствия по распространению ударных волн от джета.

Обнаружить сложные органические молекулы всего через 1,5 млрд лет после Большого взрыва — «это как третьекласснику выйти на пенсию», прокомментировали событие учёные. Обнаружены не простые молекулы типа воды или углекислого газа, а найдены сложные соединения из сотен и тысяч атомов. На таком этапе развития Вселенной этого мало кто ожидал. Очевидно, близится время глубокого пересмотра наших теорий об эволюции звёзд, галактик и самой Вселенной.

Синий объект — это галактическое скопление, оранжевый — далёкая галактика, наблюдаемая сквозь гравитационную линзу. Источник изображения: J. Spilker / S. Doyle, NASA, ESA, CSA

Сделать открытие помогли возможности нового космического телескопа «Джеймс Уэбб» и хорошо известный эффект гравитационного линзирования. Гравитационная линза была создана удалённым от нас на 3 млрд световых лет массивным скоплением галактик. Гравитация этого скопления настолько сильно исказила вокруг себя пространство-время, что фоновые объекты далеко за ним появились вокруг него в сильно увеличенном виде.

Так удачно совпало, что почти точно за скоплением в 12 млрд световых лет от нас находилась одиночная галактика SPT0418-47. Именно её изображение увеличила гравитационная линза от скопления. На снимке далёкая галактика превратилась в ореол, сияющий вокруг скопления. Простая математика позволяет вернуть галактике первоначальный вид и воссоздать её реальный образ.

Спектральные приборы «Уэбба» позволили выделить в свете галактики SPT0418-47 сложные органические молекулы, которые на Земле обычно находятся в нефти. Обнаружить подобное в открытом космосе всего через 1,5 млрд лет после Большого взрыва — это было удивительно. Это указывает на то, что химические преобразования во Вселенной шли гораздо быстрее, чем это себе представляла земная наука. На тот момент Вселенная прошла только 10 % своего развития, а органики там не меньше чем в нашей галактике. Подобные вещества должны были быть в ней в следовых количествах и недоступны для определения земными приборами. Но «Уэбб» смог это сделать и ещё на шаг приблизил нас к пониманию эволюционных процессов во Вселенной.

Принцип работы гравитационной линзы

Новые наблюдения «Уэбба» обещают обнаружить сложные органические вещества в других галактиках ранней Вселенной и, возможно, на ещё более ранних этапах её развития. К сожалению, прибор телескопа для таких открытий начал деградировать. Ранее мы сообщали, что спектрометр среднего разрешения (MRS) инструмента MIRI на самых длинных волнах начал снижать пропускную способность (количество света, которое регистрируется датчиками). Если команда телескопа не найдёт решения проблемы, подобные наблюдения после 2024 года станут невозможными.

Наша галактика, как и вся Вселенная, полна вещами, о которых мы пока даже не догадываемся. Эти вещи и явления вскрываются по мере совершенствования инструментов наблюдения за космосом, что наглядно показала работа нового радиотелескопа MeerKAT в ЮАР. 200-часовый цикл наблюдения обнаружил в центре нашей галактики тысячи нитеподобных структур, о которых учёные до этого даже не подозревали.

Нажмите, чтобы увеличить. Источник изображения: Farhad Yusef-Zadeh/Northwestern University

Следует сказать, что первые нитеподобные структуры в центре Млечного Пути обнаружены более 40 лет назад. Астроном Фархад Юсеф-Заде (Farhad Yusef-Zadeh) из Северо-Западного университета в штате Иллинойс всю жизнь посвятил изучению этого явления. Первые обнаруженные нити были релятивистскими — это были разогнанные до околосветовой скорости потоки электронов. Нити длиной до 150 световых лет располагались параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости нашей галактики, за что их прозвали «струнами арфы». Предполагается, что «струны» — это выстроенные по силовым линиям магнитного поля потоки частиц, хорошо видимые в радиодиапазоне и, скорее всего, они связаны с деятельностью сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути (Стрелец А*, Sgr A*).

Новое наблюдение с помощью радиотелескопа MeerKAT открыло нечто похожее и при этом иное — тысячи коротких нитей длиной от 5 до 10 световых лет, расположенных параллельно плоскости нашей галактики и расходящиеся радиально из её центра. Учёные потратили больше года на картирование этих объектов, с указанием точных длин и углов расхождения. Предполагается, что эти нити также являются результатом деятельности чёрной дыры Стрелец А*. Точнее, некоего события, происшедшего с дырой около 6 млн лет назад. Это могло быть одновременное падение множества вещества на чёрную дыру и, как следствие, резкий рост активности в аккреционном диске с выбросом энергии.

«Было неожиданностью внезапно обнаружить новую популяцию структур, которые, кажется, указывают в направлении чёрной дыры, — сказал Юсеф-Заде. — Я был ошеломлён, когда увидел это. Нам пришлось проделать большую работу, чтобы установить, что мы не обманываем себя. И мы обнаружили, что эти нити не случайны, а, похоже, связаны с истечением нашей чёрной дыры. Изучая их, мы могли бы узнать больше о вращении чёрной дыры и ориентации аккреционного диска. Приятно, когда находишь порядок посреди хаотического поля ядра нашей галактики».

Каждая третья планета вокруг самых многочисленных звёзд в нашей галактике — красных карликов — потенциально пригодна для жизни, свидетельствует новое исследование. Эти выводы сделаны на основе изучения данных с телескопов «Гайя» и «Кеплер». Комбинированные данные позволили извлечь информацию об орбитах открытых ранее экзопланет, и примерно 30 % из них оказались «совместимыми» с жизнью.

Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Как признаются учёные, для завершения работы по оценкам эксцентриситета орбит экзопланет им не хватало точных расстояний до целевых звёзд. Эти данные предоставил европейский астрометрический спутник «Гайя» (Gaia). На основании данных «Гайи» и данных телескопа «Кеплер», который непосредственно охотился за экзопланетами (он искал их по провалам в блеске звёзд, если планета проходила по их дискам), были воссозданы орбиты 163 экзопланет у красных карликов.

Красные карлики — это самые распространённые в нашей галактике звёзды. Они размером с Юпитер и поэтому планеты могут двигаться вокруг них по более близким орбитам, и это не испепелит их. Вопрос в другом. Если орбиты будут сильно отличаться от круговых, то даже находясь в зоне обитания, где вода может быть в жидкой фазе, гравитационные «качели» будут вызывать приливной нагрев планет и, в конце концов, сделают их непригодными для биологической жизни.

Исследование показало, что у трети изученных экзопланет более-менее круговые орбиты, что делает их подходящими кандидатами на роль инкубаторов для жизни. При этом, чем больше у карликовой звезды M-типа экзопланет, тем более круговые у них всех орбиты. И наоборот, одиночные планеты, как правило, обладают сильно вытянутыми орбитами и на них при поиске жизни не стоит обращать первостепенное внимание.

Поскольку карликовых звёзд M-типа в нашей галактике миллиарды, то потенциально обитаемых миров в ней может быть сотни миллионов. И теперь мы лучше знаем, с каких миров необходимо начинать искать обитаемые.

Одна из важнейших нерешённых задач в физике — это нахождение связи между квантовой механикой и общей теорией относительности. Для её решения необходима сложнейшая математика и невообразимые эксперименты. И если на бумаге ничего невозможного нет, то с опытами всё плохо — либо кванты, либо классика. Но надежда есть. Группа европейских и сингапурских учёных предложила квантовый симулятор, который воспроизводит эффект квантовой гравитации и не только.

Источник изображения: NASA / TU Wien

В физике и не только симуляция на одних системах может быть транслирована на другие, казалось бы, совершенно иные по свойствам системы. Учёные из Венского технологического университета, Университета Крита, Наньянского технологического университета (Сингапур) и Берлинского университета опубликовали в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS) статью, в которой рассказали об успешной симуляции гравитационного линзирования на квантовом симуляторе. Фактически они утверждают о симуляции квантовой гравитации, обоснованием которой занимаются все физики-теоретики и никак не могут это сделать.

В качестве основы для квантового симулятора исследователи взяли облака сверхохлаждённых атомов — это определённо квантовые структуры с соответствующим математическим аппаратом и массой решений по управлению ими (вспомним многочисленные квантовые вычислители-симуляторы). Вместо света учёные взяли за основу звук и представили его как релятивистский объект из общей теории относительности. Получился квантовый симулятор распространения света в пространстве, который работал в точном соответствии как с ОТО, так и с квантовой теорией. В частности, эксперимент показал осуществимость эффекта гравитационного линзирования на симуляторе.

Эксперименты показывают, что форма световых конусов, эффекты линзирования, отражения и другие явления могут быть продемонстрированы в атомных облаках именно так, как это ожидается в релятивистских космических системах. Постановка экспериментов и полученные результаты могут помочь открыть неизвестные доселе явления и эффекты и, в конечном итоге, могут привести к созданию общей теории функционирования нашей Вселенной.

Европейская южная обсерватория (ESO) сообщила о начале работы первых трёх телескопов BlackGEM, которые в оптическом диапазоне будут искать источники гравитационных волн. Детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo не могут указать точку в небе, где произошло слияние чёрных дыр или нейтронных звёзд, а без этого информация о событии неполная. Восполнять этот недостаток будет массив BlackGEM, который с огромной скоростью будет осматривать южное небо.

Источник изображения: ESO

Всего массив будет состоять из 15 телескопов. У каждого из них сравнительно небольшое зеркало — всего 65 см. Тем не менее, за счёт расположения — на высокогорном плато в Чили (в Ла Силла) — обзор и разрешение обещают быть превосходными по сравнению с даже большими телескопами в других местах.

В лучшем случае, детекторы LIGO и Virgo могут определять участок неба, откуда пришли зафиксированные гравитационные волны, площадью около 400 полных лун. Массив BlackGEM должен быстро осмотреть этот участок и зафиксировать все видимые быстрые изменения. Если роботизированные телескопы обнаружат изменения в зоне наблюдения, цель для детального изучения будет передана на по-настоящему большие телескопы.

Определение направления на источники гравитационных волн станет не единственной задачей комплекса BlackGEM. Массив будет определять другие быстрые переходные процессы, например, искать взрывы сверхновых в Южном полушарии, а также выявлять потенциально опасные для Земли астероиды и кометы.

Расположенная в Чили Европейская южная обсерватория представила изображение звёздных яслей, составленный из более миллиона фотографий неба. Уникальность снимка не только в годах сбора информации для него, но также в способности передать видимый и невидимый человеческому глазу инфракрасный свет. Без последней возможности мы не могли бы заглянуть вглубь облаков из космической пыли, где и рождаются молодые звёзды. Любуйтесь!

Нажмите, чтобы увеличить. Источник изображений: ESO

Данные о нескольких регионах звездообразования собрал обзорный телескоп VISTA. У него небольшое зеркало — всего 4,1 м, но широкое — на три полных Луны — поле обзора. Это позволяет за ночь сделать снимки неба всего Южного полушария. Телескоп введён в строй в 2009 году. Он выдаёт колоссальный объём информации. Инструмент такого рода способен выявлять быстро происходящие явлений от вспышек сверхновых до астероидов и комет в Солнечной системе. Его затмит только телескоп им. Веры Рубин, когда начнёт работать в следующем году.

Инфракрасное изображение области Lupus 3

«На этих изображениях мы можем обнаружить даже самые слабые источники света, например, звёзды, гораздо менее массивные, чем Солнце, открывая объекты, которые никто раньше не видел, — сказал Стефан Мейнгаст (Stefan Meingast), астроном из Венского университета в Австрии и ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics. — Это позволит нам понять процессы, которые превращают газ и пыль в звёзды».

Инфракрасное изображение объекта HH 909 A в Хамелеоне

Звёзды образуются, когда облака газа и пыли сжимаются под действием собственной гравитации, но детали того, как это происходит, не до конца понятны. Сколько звёзд рождается из облака? Насколько они массивны? Сколько звёзд будут иметь планеты? Наблюдения с помощью VISTA позволяет собирать данные в наилучшей доступной динамике. Мы сможем видеть, как отдельные звёзды покидают место рождения и это сделает оценки их параметров наиболее точными.

Область Корона в видимом свете

Данные VISTA дополнят данные европейского астрометрического спутника «Гайа» (Gaia). У «Гайи» только работа в видимом диапазоне. Она не может заглянуть внутрь облаков из пыли и газа. Оба инструмента помогут создать наиболее полный и точный каталог объектов в нашей галактике и даже за её пределами, и это даст основу для множества новых открытий.

Ближайшая к нам молодая звезда Фомальгаут своим ярким сиянием тысячелетиями завораживала наших предков и не могла оставить равнодушными современных астрономов, вооружённых передовыми телескопами. Это позволило ещё в 1983 году обнаружить вокруг звезды пылевое кольцо наподобие нашего пояса Койпера, но в два раза больше. Учёные не могли упустить случая рассмотреть инопланетный пояс астероидов с помощью «Джеймса Уэбба» и сильно удивились увиденному.

Источник изображения: NASA, ESA, CSA

Полученная «Уэббом» картинка системы Фомальгаута показала наличие там сложной внутренней структуры пылевых колец, кроме обнаруженного там ранее внешнего пояса. «Уэбб» работает в инфракрасном диапазоне и способен в деталях наблюдать нагретые тела и области. Исследователи были очень удивлены, когда увидели сильную неоднородность в структуре внутреннего пылевого диска.

«Рассматривая узоры в этих кольцах, мы можем сделать небольшой набросок того, как должна выглядеть планетная система, как если бы мы могли сделать достаточно детальный снимок, чтобы увидеть предполагаемые планеты», — сказал Андраш Гаспар (András Gáspár) из Аризонского университета в Тусоне и ведущий автор новой статьи, описывающей эти результаты.

Вскоре после образования планет в системе остаётся ещё много пыли и каменных тел различного размера — астероидов и зародышей планет. Всё это лежит, в основном, в плоскости огромного диска из пыли и камней, среди которых вращаются планеты. По сути, это оставшийся после образования планет мусор. Планеты как самые массивные тела на своих орбитах своей гравитацией формируют пояса астероидов, что издали выглядит как ярко выраженное кольцо на «мусорном» диске из пыли и камней.

Именно такую структуру впервые в системе Фомальгаута помог обнаружить «Уэбб» и, как уверены учёные, эта же методика поможет обнаружить внутренние пылевые кольца в других системах, что даст представление об их планетарных структурах даже без прямого обнаружения экзопланет.

Попутно «Уэбб» разгадал прошлую загадку — якобы обнаруженную «Хабблом» во внешнем пылевом кольце экзопланету. Это образование стало ещё больше с прошлого наблюдения, что заставляет предположить, что это последствия столкновения крупных астероидов с последующим разлётом обломков. Это оказалась не экзопланетой, а расширяющимся взрывом после столкновения.

Облако пыли, которое раньше ошибочно приняли за планету

Представленная работа с анализом структуры пылевого кольца системы Фомальгаута подана для публикации в престижном журнале Nature, но ещё не прошла рецензирование и не дошла до печати.

Глядя на бесконечный космос, не верится, что там никого нет. Но вот уже шестьдесят лет земные радиотелескопы обшаривают Вселенную в поисках внеземных сигналов, и эти поиски так и не дали результата. Специалисты по статистике дали свой ответ на загадку, почему при всех затраченных усилиях мы не обнаруживаем сигналы инопланетян.

Источник изображения: Pixabay

Исследование провели учёные из лаборатории статистической биофизики Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии. За основу они взяли модель статистического исследования пористых губчатых материалов. Базовым условием для решения задачи стало два предположения: во-первых, в любой момент времени в Млечном Пути должен быть хотя бы один электромагнитный сигнал технологического происхождения и, во-вторых, Земля находится в «зоне молчания» как минимум 60 лет. Иначе говоря, никакие инопланетные радиосигналы за это время на Землю не попадали, а не просто по каким-то причинам оставались необнаруженными.

Расчёт статистической модели строится на том, что Земля и инопланетные радиоизлучатели помещаются в «поры» условной губки. Затем строится оптимистичная и пессимистичная вероятность распределения. В самом лучшем случае, если считать встречу с инопланетным разумом удачей, радиосигнал от «чужих» мы сможем принять не ранее, чем через 60 лет. В худшем случае регистрации техногенного сигнала инопланетного происхождения придётся ждать не менее 2000 лет.

Согласно статистической модели, Земля сейчас находится в зоне радиомолчания. Источник изображения: Astronomical Journal

Безусловно, решение статистической задачи зависит от начальных условий. Если они будут другими, то результат также будет отличаться от полученного учёными. В сухом остатке остаётся рекомендация оставаться терпеливыми и искать признаки разумности в сигналах, получаемых на штатном оборудовании. В этом плане программа SETI может считаться оптимальным решением. Не нужно тратить ресурсы на приборы исключительно для поиска инопланетных сигналов. В потоке обычных научных данных достаточно много информации, чтобы обнаружить там даже чужой техногенный сигнал, если он туда попадёт.

Около 60 лет назад астрономы обнаружили ярчайшие объекты во Вселенной, которые назвали квазарами. Позже стало понятно, что это свечение испускают активные галактические ядра. Точнее, это явление сверхактивности сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. Но уверенно ответить на вопрос о механизме рождения квазаров учёные были не готовы. Новое исследование собрало убедительные доказательства для подтверждения одной из теорий рождения квазаров.

Источник изображения: ESO-M Kornmesser

Так, группа специалистов из университетов Шеффилда и Хартфордшира опубликовала работу, которая доказывает, что источником квазаров являются столкновения галактик. Эта гипотеза выдвигалась и раньше, однако теперь под неё положен прочнейший фундамент из более чем сотни наблюдений за целевыми галактиками и квазарами.

С помощью телескопа им. Исаака Ньютона в Ла-Пальме астрономы в деталях изучили структуры 48 галактик с квазарами и более 100 без них. Они искали признаки искажений в структурах галактик, которые указали бы на предыдущие столкновения пар из них. Выяснилось, что 65 % галактик с квазарами имеют признаки столкновений в прошлом. Среди галактик без квазаров признаки столкновений выявлены только у 22 из более чем 100 объектов. Простые вычисления показывают, что галактики с квазарами имеют в три раза большую частоту проявления признаков столкновений. Из этого можно сделать вывод, что тесные гравитационные взаимодействия пары галактик с большой вероятностью породят квазар, хотя это происходит не со 100-процентной гарантией.

Источником яркости квазаров в широком диапазоне электромагнитных волн являются сверхразогретые внутренние границы аккреационных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр. В этих областях вещество попадает на чёрную дыру и происходит колоссальное выделение энергии на уровне сияния триллионов звёзд. При естественной эволюции галактики сверхмассивная чёрная дыра в её центре постепенно пожирает вещество и ведёт себя относительно спокойно. Когда две галактики с такими дырами входят во взаимодействие — сталкиваются, большие объёмы межзвёздного газа начинают перераспределяться и, в итоге, падают на чёрные дыры в центрах галактик-хозяев. Это как плеснуть бензин в догорающий костёр.

Рождение квазара ведёт к фатальным последствиям для галактики-хозяина. Его активность выталкивает пыль и газ за пределы галактики и развеивает внутри неё. Это снижает активность звезообразования и может совсем остановить процесс появления новых звёзд в галактике. Нашу галактику Млечный Путь ждёт похожая судьба. Примерно через 5 млрд лет она столкнётся с галактикой Андромеда. Учёные не считали это угрозой для жизни на Земле, например, всё-таки звёзды находятся достаточно далеко друг от друга, но если в центре нашей галактики вспыхнет квазар, для чего теперь найдены все основания, всё может повернуться иначе.

Экзопланеты слишком маленькие и очень далеки, чтобы мы могли увидеть эти миры прямо в оптические телескопы. Поэтому почти все из обнаруженных на сегодня 5300 экзопланет выявлены тем или иным косвенным способом. Тем удивительнее было сделать открытие инопланетного мира с использованием редкого астрономического наблюдения и затем подтвердить его существование прямым наблюдением. Но самое ценное в этом — создание новой методики поиска экзопланет.

Одно из изображений экзопланеты HIP-99770b с телескопа Субару. Источник изображения: T. Currie/Subaru Telescope/UTSA

В астрономии для косвенного поиска экзопланет используется два основных метода: транзитный и доплеровский. В первом случае астрономы ищут повторяющиеся провалы в блеске звёзд, когда экзопланета перекрывает её свет при проходе по диску в орбитальном движении, а во втором случае фиксируются повторяющиеся изменения в длине волны света звёзд — так называемое доплеровское смещение. Пара звезда-планета вращается вокруг общего центра масс и звезда то приближается в нашу сторону, то движется от нас, что находит отражение в её спектре. В обоих случаях становится возможным обнаружить очень близкие к звёздам экзопланеты, что мешает разглядеть их в оптические телескопы на фоне яркого света материнских звёзд.

Но заметить «танец» звезды на небе можно и другим способом — астрометрическим. Измеряя точное положение звёзд в небе и их радиальную скорость, можно обнаружить характерное кружение звёзд вокруг линии, по которой она должна двигаться при вращении вокруг центра галактики.

Источник изображения: ЕКА

Если в системе звезды есть достаточная по массе экзопланета или несколько экзопланет, то звезда будет двигаться характерной «змейкой». Такие данные обнаружились в наблюдениях европейской космической станции Gaia «Гайя». «Гайя» точнейшим образом измеряет координаты звёзд и их скорости движения относительно Земли. Фактически она строит трёхмерную карту звёзд в Млечном Пути в динамике, что даёт массу информации для самых разнообразных открытий.

Ряд звёзд уже привлёк внимание астрономов и одна из них — HIP-99770 — была изучена на предмет наличия экзопланеты. Из данных «Гайи» стало понятно, в какую точку Вселенной надо смотреть и с помощью оптических телескопов Субару и обсерватории Кека на Гавайях в указанной области пространства у звезды HIP-99770 была визуально обнаружена экзопланета, получившая название HIP-99770b.

Таким образом, астрометрический метод дал звезду-кандидата на систему с экзопланетой, и проведённое после этого прямое наблюдение обнаружило там инопланетный мир. Из данных «Гайи» и базы более старой европейской астрометрической орбитальной обсерватории Hipparcos выделены ещё около 50 звёзд-кандидатов, «петляющих» по небу в своём галактическом движении, где также будут проводиться оптические поиски экзопланет. Эти исследования помогут отработать новую методику поиска инопланетных миров.

Испытанный учёными метод позволяет открывать экзопланеты на удалённых орбитах, что ценно само по себе. Экзопланета HIP-99770b имеет 14–16 масс Юпитера и в 1,05 раза больше радиуса Юпитера. Она вращается вокруг звезды массой в две солнечные массы, поэтому находясь от неё в три раза дальше Юпитера (на удалении 15 а. е.) получает примерно столько же энергии, как Юпитер.

Прямое наблюдение экзопланеты в телескоп вместе с астрометрическим методом позволило не только получить данные о размере, плотности и диаметре экзопланеты, но и дало увидеть облака в её атмосфере и даже что-то типа пояса Койпера вокруг местной звезды. Без сомнения, учёные ещё не раз будут изучать такой интересный объект, пытаясь получить о нём и его атмосфере больше данных. В конце концов, когда-нибудь будет обнаружен и близнец Земли. И чем больше у нас будет способов поиска таких экзопланет, тем быстрее это произойдёт.

Во вторник в журнале Nature Astronomy вышла прошедшая рецензию статья, которая утвердила статус самой древней из наблюдаемых галактик. Объект JADES-GS-z13-0 образовался через 320 млн лет после Большого взрыва. На нынешнем отрезке жизни Вселенной это всего 2 % от её существования. Открытие бросает вызов нашему чёткому пониманию эволюции звёзд, галактик и даже самой Вселенной.

Источник изображения: Robertson et al., Nature Astronomy, 2023

Галактика JADES-GS-z13-0 и три других подобных объекта в ранней Вселенной были обнаружены летом прошлого года в первых обзорах космической обсерватории «Джеймс Уэбб». Это были фотометрические обзоры, которые не позволяют оценить истинное расстояние или, если угодно, возраст галактик. Об удалённости светящихся объектов во времени говорит их спектр. Точнее, анализ линий спектра молекулярного водорода и поиск так называемого предела Лаймана (длина волны 91,15 нм). Спектр обрывается на этой границе, и это служит точкой отсчёта для вычисления величины красного смещения объекта и его удалённости от нас.

Учёные из международной группы астрономов использовали инфракрасные спектрографы «Джеймса Уэбба» для вычисления красного смещения четырёх галактик в ранней Вселенной: JADES-GS-z10-0, JADES-GS-z11-0 и JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z13-0. И если до этого все четыре галактики были кандидатами в своей категории, то после спектрального анализа и публикации статьи они стали тем, чем являются — первые три галактики находятся на отрезке менее 450 млн лет после Большого взрыва и их красные смещения, соответственно, равны 10,38, 11,58 и 12,63, а четвёртая и вовсе рекордсмен!

Самой далёкой от нас стала галактика JADES-GS-z13-0 со смещением 13,2 или обнаруженная через 320 млн лет после Большого взрыва. Прежний рекорд был установлен в наблюдениях «Хаббла» — галактика GN-z11 со смещением 10,95 или на этапе 400 млн лет после Большого взрыва.

Также изучение всех четырёх объектов показало, что они имеют массы примерно 100 млн солнечных масс, что для первых галактик нормально. Наш Млечный Путь, например, имеет массу 1,5 трлн солнечных масс. При этом в юных галактиках происходит активное звездообразование (относительно их масс) — каждый год там рождается примерно по три звезды массы Солнца. Кроме того, как положено юным галактикам, они бедны на металлы или на химические вещества тяжелее гелия.

В принципе, открытие галактик в такой ранний период эволюции Вселенной крайне познавателен, но не столь необычен. Необычность, которая бросает вызов нашим знаниям о Вселенной, в том, что таких объектов много больше и они более активны, чем считалось ранее. Тот же «Джеймс Уэбб» обнаружил чуть позже шесть очень массивных галактик в ранней Вселенной, где им быть в теории не положено, но они там есть.

Наблюдения и расчёты показывают, что Вселенная расширяется, и в каждый момент времени это происходит с одинаковой скоростью в наблюдаемой области и далеко за её пределами. Точнее, так должно быть в теории, но на практике нужный для расчёта скорости коэффициент — постоянная Хаббла — имеет два разных значения в зависимости от метода его вычисления. Это парадокс, и учёные сделали его ещё острее.

Цефеида RS Puppis, сфотографированная «Хабблом». Источник изображения: NASA, ESA

Постоянная Хаббла рассчитывается либо с опорой на реликтовое излучение, либо по данным наблюдений с использованием «космической линейки» — разного рода галактических и внегалактических естественных маяков. Разница в данных получается примерно чуть больше 5,6 (км/с)/Мпк (километра в секунду на мегапарсек или примерно на 3,26 млн световых лет). Казалось бы, мелочь. Но из-за этой «мелочи» математически точную модель многих процессов эволюции Вселенной нельзя построить, включая расстановку точек в поисках тёмной материи и энергии.

Используя данные реликтового излучения — оставшегося после Большого взрыва микроволнового излучения в ранней Вселенной — учёные с помощью наблюдения со спутника «Планк» вычислили, что постоянная Хаббла должна быть 67,4 ± 0,5 (км/с)/Мпк. Наблюдения за звёздами дали иной результат — 73,0 ± 1,0 (км/с)/Мпк, за что в своё время была выдана Нобелевская премия. Возник парадокс, названный «напряжённостью Хаббла». Либо учёные ошибаются в наблюдениях, либо строят ошибочные модели эволюции Вселенной.

Группа астрономов с факультета физики Федеральной политехнической школы Лозанны провела углублённый анализ таких переменных звёзд, как цефеиды. Это звёзды переменной светимости, характеристики которых настолько хорошо поняты, что они играют роль ближних маяков во Вселенной. Это основа «лестницы расстояний» — методики оценки удалённости астрофизических объектов. Эта основа служит для поддержки другой ступеньки — сверхновых в далёких галактиках. Вспышки сверхновых и ряд других данных как раз дают базу для расчёта постоянной Хаббла в наблюдаемой Вселенной. Но начинается всё с цефеид.

Свежий релиз данных астрометрического спутника Gaia позволил учёным заново откалибровать цефеиды в нашей галактике. Это означает, что «космическая линейка» повысила точность до рекордных значений — до погрешности менее ±0,9 %. Это до предела укрепило постоянную Хаббла на отметке 73,0 ± 1,0 (км/с)/Мпк. Вероятность ошибки ничтожна. Если такая же точность будет достигнута в результате измерения постоянной Хаббла по реликтовому излучению, то наше представление о механизме развития и жизни Вселенной придётся менять.