Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) сделал снимок гигантского скопления галактик eMACS J1823.1+7822, расположенного на значительном отдалении от нас. Масса этого кластера настолько велика, что свет расположенных позади галактик подвергся эффекту гравитационного линзирования — они кажутся вытянутыми или искривлёнными. Видно несколько галактик, окружающих скопление, а также звёзды с характерными дифракционными лучами.

Источник изображения: esahubble.org

Скопление галактик носит название eMACS J1823.1+7822 — оно наблюдается в созвездии Дракона и находится на расстоянии почти 9 млрд световых лет от Земли. Это одно из пяти исключительно массивных скоплений галактик, которое исследователи изучают при помощи телескопа «Хаббл» в надежде оценить силу этих гравитационных линз и сформировать представление о распределении тёмной материи в них.

Сильные гравитационные линзы вроде eMACS J1823.1+7822 представляют собой не только ценные объекты изучения, но и сами выступают в качестве научного инструмента. Действуя как огромные естественные телескопы, они увеличивают объекты, которые оставались бы слишком тусклыми или далёкими для современного оборудования.

Изображение было получено путём наложения данных, полученных при снимках с восемью фильтрами на два прибора «Хаббла»: Advanced Camera for Surveys и Wide Field Camera 3. Эти инструменты позволяют наблюдать астрономические объекты только в небольших фрагментах спектра. Комбинация снимков на разных длинах волн позволяет астрономам составлять более полную картину структуры, состава и поведения объектов — одного только видимого диапазона было бы недостаточно.

Центральное скопление на снимке состоит преимущественно из ярких эллиптических галактик, а неподалёку от его ядра обозначилась яркая искажённая дуга — ещё одна галактика, изображение которой подверглось гравитационному линзированию.

Международная группа учёных изучила гигантскую туманность, которая располагается среди скопления молодых галактик и поглощает выброшенное последними вещество. Процесс наблюдается в области, возраст которой составляет всего 3 млрд лет после Большого взрыва, то есть в весьма молодой вселенной (возраст Вселенной оценивается в 13,8 млрд лет). Это является очередным свидетельством того, что галактики формируют звёзды, обмениваясь веществом с ближайшим окружением.

Художественное изображение формирования скопления галактик в ранней Вселенной. Источник изображения: ESO/M. Kornmesser

Ранее галактики независимо от размера считались плавающими в космической пустоте островами материи, но последние исследования показали, что их окружают огромные облака газа и пыли, которые трудно увидеть. Сейчас превалирует мнение, что эти облака являются частью гигантской космической сети, включающей в себя и тёмную материю — она связывает галактики, обеспечивая их водородом, из которого формируются новые звёзды и галактики.

Недавно учёные обнаружили, что такие облака играют ключевую роль в переработке вещества, помогая запускать так называемые галактические фонтаны. Погибающие со взрывами сверхновых массивные звезды выбрасывают в пространство колоссальные объёмы вещества, которое иногда вылетает за пределы галактик и образует ореолы горячего газа над и под их дисками. Согласно одной из теорий, облака горячего газа, которые простираются на тысячи световых лет за пределы галактики, охлаждаются и «проливаются дождём» обратно на неё, за счёт чего продолжается звездообразование. Эта гипотеза объясняет, почему в галактиках этот процесс идёт долгое время, несмотря на кажущиеся ограниченными запасы вещества.

Обсерватория Кека. Источник изображения: keckobservatory.org

Моделирование допускает возможность такой рециркуляции галактик, но подтвердить этот процесс непросто — галактики ориентированы по-разному, и наблюдать космический дождь действительно сложно. Прорыва удалось добиться при наблюдении в телескопы Кека и «Субару» на Гавайях туманности «Мамонт-1» (MAMMOTH-1) — протогалактики почти в 11 млрд световых лет от Земли. Туманность была открыта в 2017 году, но последние её изображения показывают, что она поглощает вещество из ближайших окрестностей через как минимум три газовых потока — эти потоки подсвечивают фрагмент космической сети, соединяющей галактики и их ближайшее окружение. При этом два потока указывают на квазар — яркий объект со сверхмассивной чёрной дырой, о присутствии которой в этой туманности только подозревали.

Учёные также обнаружили, что потоки вещества вокруг туманности богаты углеродом, который может формироваться только внутри звёзд, образующих из водорода и гелия металлы — так в астрономии называют все элементы тяжелее водорода и гелия. Присутствие углерода в туманности, размер которой составляет 300 тыс. световых лет, подтверждает гипотезу об активной системе галактической рециркуляции, при которой богатый металлами газ становится строительным материалом для формирования нового поколения звёзд. Этот газ охлаждается быстрее первозданного водорода, повышая тем самым эффективность звездообразования.

Свету требуется продолжительное время, чтобы преодолеть больше расстояние, и мы видим туманность «Мамонт-1» такой, какой она была 11 млрд лет назад. Размер группы галактик, к которой она принадлежит, тогда был 50 млн световых лет, но к настоящему моменту она, вероятно, ужалась до 1 млн. Для сравнения группа галактик, в которую входит наш Млечный Путь, имеет размер 10 млн световых лет. В Млечном Пути тоже есть галактические фонтаны, но астрономы точно не знают, сколько их.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) показал фрагменты галактики NGC 4395. Её отличает очень низкая поверхностная яркость — галактика рассеяна и излучает меньше света, чем другие, но при этом у неё очень яркое ядро.

Центральная область NGC 4395, снятая Wide Field Camera 3 телескопа «Хаббл». Источник изображений: nasa.gov

Расположенная на расстоянии около 14 млн световых лет от Земли NGC 4395 относится к сейфертовским или галактикам с очень ярким ядром — это одна из самых близких и тусклых из известных сейфертовских галактик. Высокая яркость ядра объясняется присутствием в нём чёрной дыры — она активно поглощает вещество, и при этом возникает значительное свечение во всём электромагнитном спектре.

Общий вид NGC 4395 (слева) и центральная область галактики (справа)

Яркость активного галактического ядра зачастую оказывается настолько высокой, что за ним не видно окружающих его звёзд, тогда как сейфертовскую галактику обнаружить возможно. Ядро NGC 4395 имеет относительно низкую светимость по сравнению с другими активными галактическими ядрами, поскольку находящаяся в нём чёрная дыра по массе «лишь» в 10 тыс. раз превосходит солнечную, а значит, она относится не к сверхмассивным, а к чёрным дырам средней массы.

Один из рукавов NGC 4395. Снимок получен инструментами «Хаббла» Wide Field Camera 3 и Advanced Camera for Surveys

Ещё одной редкой чертой карликовой галактики NGC 4395 является отсутствие балджа или галактической выпуклости — плотной группы звёзд в её центре.

Общий вид NGC 4395 (слева) и спиральный рукав галактики (справа)

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) получил изображение объекта Arp 220 — это ультраяркая инфракрасная галактика, светимость которой составляет более триллиона солнечных. Для сравнения, у нашей галактики Млечный Путь этот показатель составляет 10 млрд солнечных.

Источник изображения: nasa.gov

Столкновение двух спиральных галактик, в результате которой возникла Arp 220, началось около 700 млн лет назад. Расположенная в 250 млн световых лет и наблюдаемая в созвездии Змеи Arp 220 является 220-м объектом в Атласе пекулярных (не относящихся ни к одному из классов в последовательности Хаббла) галактик Хэлтона Арпа (Halton Arp). Это ближайшая к Земле ультраяркая инфракрасная галактика и самое яркое из трёх ближайших столкновение галактик.

Начало столкновения двух спиральных галактик вызвало взрыв звездообразования. В плотной области космической пыли размером 5000 световых лет оказались около 200 крупных звёздных скоплений. Количество газа в этой области сравнимо с количеством газа во всём Млечном Пути. В ходе наблюдения за объектом через радиотелескоп было выявлено около сотни остатков сверхновых в области менее 500 световых лет. Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) помог установить, что ядра сливающихся галактик находятся на расстоянии 1200 световых лет друг от друга. У каждого из них есть кольцо звездообразования, испускающее сильное инфракрасное излучение, а оно, в свою очередь, отметилась на снимке дифракционными лучами.

В периферийной части области слияния синим цветом отмечено вещество, которое вытягивается из галактик под действием гравитационных сил. Красно-оранжевым цветом указаны пронизывающие Arp 220 потоки и линии органических соединений. Наблюдение за объектом производилось установленными на «Джеймсе Уэббе» камерой ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибором среднего инфракрасного диапазона (MIRI).

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.