В минувший четверг космическая инфракрасная обсерватория им. Джеймса Уэбба (James Webb) отметила два года научной работы. Сделанный телескопом юбилейный снимок был посвящён этой дате и раскрыл все возможности инфракрасных приборов «Уэбба»: камер ближнего и среднего инфракрасного диапазонов. Благодаря им снимок двух далёких сталкивающихся галактик — Пингвина и Яйца — заиграл новыми красками и деталями.

Комбинированный снимок галактик Arp 142. Источник изображения: NASA; ESA; CSA; STScI

Галактики Пингвин и Яйцо (Arp 142) удалены от нас на 326 млн световых лет. Они расположены в созвездии Гидра на расстоянии около 100 тыс. световых лет одна от другой. Около 25–75 млн лет назад произошло сближение эллиптической (NGC 2937) и спиральной галактики (NGC 2936): Яйца и Пингвина. Первая своей гравитацией размотала вторую и через сотни миллионов лет они сольются в одну галактику.

Снимок прибором MIRI (средний инфракрасный диапазон)

Гравитационное взаимодействие двух галактик превратило спиральную галактику в подобие пингвина с клювом и хвостом, охраняющего своё яйцо. В облаках пыли и газа, вымываемых гравитацией из спиральной галактики, проявились вспышки звездообразоания. Эллиптическая галактика, вызвавшая всё это движение, напротив, населена старыми звёздами и обе они окружены похожим на дымку туманным ореолом из полициклических ароматических углеводородов.

Снимок тех же галактик телескопом «Хаббл»

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США направил свой взор на далёкий астрономический объект, визуально напоминающий кольцо с драгоценными камнями. На деле это квазар RX J1131-1231 на расстоянии 6 млрд световых лет от Земли в созвездии Чаши.

Источник изображения: ESA

Столь необычный вид квазара обусловлен тем, что его изображение дошло до нас в искажённом виде из-за эффекта гравитационного линзирования. Дело в том, что галактика, находящаяся между Землёй и RX J1131-1231, искажает изображение квазара на заднем плане, из-за чего на снимке появляются яркая дуга и четыре образования. По данным Европейского космического агентства (ESA), на сегодняшний день представленный снимок является одним из лучших «линзированных» квазаров, которые удалось запечатлеть.

Что касается гравитационного линзирования, то этот эффект первым предсказал Альберт Эйнштейн. Без углубления в детали принцип действия линзирования можно сравнить с тем, как работает увеличительное стекло. Обладающие массой космические объекты искривляют пространство и время под действием гравитации, из-за чего создаётся увеличительный эффект, позволяющий астрономам заглянуть в глубь космического пространства. Вместе с этим, когда ведётся наблюдение за дальним источником света через другой космический объект, например, галактику, форма дальнего источника света искажается.

«Вся материя во Вселенной искривляет пространство вокруг себя, причём более массивные объекты вызывают более сильный эффект. Вокруг очень массивных объектов, таких как галактики, свет, проходящий рядом с ними, следует за этим искривлённым пространством, отклоняясь от своего первоначального направления на хорошо заметную величину. Одним из последствий гравитационного линзирования является то, что оно может увеличить удалённые астрономические объекты, позволяя астрономам изучать их. Без линзирования такие объекты были бы слишком тусклыми или удалёнными», — говорится в сообщении ESA.

Астрономы из Университета Джонса Хопкинса при помощи космического телескопа NASA «Джеймс Уэбб» обнаружили на юпитероподобной экзопланете HD 189733 b сероводородную атмосферу, в которой идут стеклянные дожди. Планета находится примерно в 13 раз ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, температура на её поверхности — 930 °C, а скорость ветра —8000 км/ч.

Источник изображений: NASA

Экзопланета HD 189733 b, впервые обнаруженная в 2005 году, находится примерно в 64 световых годах от Земли, что делает её ближайшей юпитероподобной планетой, доступной для астрономических наблюдений. Невзирая на совершенно чудовищные погодные условия, экзопланета может многое предложить для исследования астрономам и учёным.

Иллюстративное изображение

«Сера является жизненно важным элементом для построения более сложных молекул, также как углерод, азот, кислород и фосфор, и учёным необходимо больше изучать её, чтобы полностью понять, как и из чего состоят планеты», — объяснил астрофизик из Университета Джонса Хопкинса Гуанвэй Фу (Guangwei Fu), который руководил исследованием, недавно опубликованным в журнале Nature. Он добавил, что наличие сероводорода на других космических объектах поможет лучше понять, как формируются разные типы планет.

Команда также измерила содержание тяжёлых металлов, подобных тем, что были обнаружены на Юпитере, что, возможно, поможет учёным сопоставить количество этих элементов с массой планеты. К примеру, на Нептуне и Уране содержится больше металлов и других тяжёлых элементов, чем на Юпитере и Сатурне, где преобладают газы, такие как водород и гелий. Учёные полагают, что состав планет отражает процесс их раннего формирования и пытаются выяснить, верно ли то же самое для экзопланет по всей Вселенной.

Фу и его коллеги планируют отслеживать наличие соединений серы на других экзопланетах, с тем чтобы выяснить, как высокие уровни этого элемента связаны с расстоянием от звёзд, на котором происходит формирование планет. «Мы хотим знать, как сюда [на определённую орбиту] попали такие планеты, и понимание состава их атмосфер поможет нам ответить на этот вопрос», — заявил Фу.

Несколько групп учёных использовали телескоп «Джеймс Уэбб» для сбора данных о планете-океане, расположенной на удалении 50 световых лет от Земли. Близкое расположение этого мира позволит собрать данные об атмосфере и сделать вывод о потенциальной обитаемости экзопланеты. Это лучший кандидат для поиска следов инопланетной жизни, уверяют учёные. Но внешний вид экзопланеты тоже не оставит равнодушным — она до оторопи похожа на глазное яблоко.

Источник изображения: Benoit Gougeon/University of Montreal

Экзопланета LHS 1140b открыта методом транзита в 2017 году. Вокруг своей звезды — тусклого красного карлика — она оборачивается каждые 25 суток. Близость звезды компенсируется её слабым светом, и поэтому экзопланета не сгорела в её излучении. Более того, приливной захват удерживает экзопланету всё время одной стороной к звезде, сильнее всего нагревая постоянно обращённую к светилу сторону. Но даже это не сжигает поверхность экзопланеты. Однако это делает её странной на вид.

Как показало новое исследование, на обращённой к звезде стороне экзопланеты может быть до 20 °C. Это достаточно комфортная для зарождения известной нам биологической жизни температура. Исходя из полученных после наблюдений и расчётов данных, плотность экзопланеты составляет 5,6 г/см³. Поскольку её радиус в 1,76 раза больше земного, а масса больше массы Земли в 5,6 раза, учёные делают вывод, что это либо похожая на наш Нептун планета с плотной газовой оболочкой, либо планета-океан. С точки зрения расчётов наиболее вероятен второй вариант.

Если LHS 1140b — это действительно водный мир с глобальным океаном, то при средневзвешенной температуре около -50 °C он весь покрыт панцирем льда, за исключением относительно небольшой полыньи на стороне, обращённой к звезде. По подсчётам учёных, диаметр проплешины во льдах достигает 4000 км. Со стороны такая планета будет выглядеть как висящее в черноте пространства колоссальное белое глазное яблоко, смотрящее на мир своим зрачком.

Важным открытием стало наличие азота в составе атмосферы экзопланеты и минимум водорода. Это указывает на вторичность атмосферы — что она сформировала свой состав в процессе эволюции, а не получила в наследство по рождению от протопланеты. Это открытие заставит учёных ещё много раз обращать свой взор на LHS 1140b, как на один из самых перспективных миров, где наиболее велика вероятность обнаружить признаки биологической жизни.

Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» получила новые снимки крайне юной протозвезды L1527. Этой звезде всего 100 тыс. лет — это ничто по сравнению с нашим Солнцем, которому свыше 4,5 млрд лет. Юность таких объектов сопровождается бурной деятельностью, когда будущая звезда поглощает окружающее вещество и, разогреваясь, расплёскивает его по Вселенной причудливыми красками туманности.

Изображение звезды L1527, полученное камерой MIRI «Джеймса Уэбба». Источник изображения: NASA

Ранее «Джеймс Уэбб» уже делал снимок протозвезды L1527. В 2022 году он получил изображение с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam). Новый снимок получен прибором MIRI (средний инфракрасный диапазон), который может дальше заглянуть за окружающую протозвезду завесу из пыли и газа. Снимок с MIRI не такой резкий и чёткий, как с NIRCam, но он добавляет картинке объём и новые детали.

Если приглядеться, мы увидим, что протозвезда L1527 как бы разделена пополам. Это следы газопылевого диска вокруг растущей звезды. Мы видим его с ребра. Звезда черпает из него вещество и излучает энергию в процессе его аккреции. Центральная область вблизи протозвезды насыщена ионизирующим излучением и выглядит на снимке как красная вспышка (в изображение которой оптическая система «Уэбба» добавляет свои артефакты — восемь лучей).

Снимок L1527, полученный в 2022 году камерой NIRCam

«Вспышка» переходит в белое свечение — это происходит отток пыли и газа, разгоняемый излучением звезды. Дальше белый «взрыв» продолжается синим «пламенем». Так на изображениях «Уэбба» выглядят следы полициклических ароматических углеводородов, которых во Вселенной больше всего. Звезда также инициирует их отток, в результате чего формируется причудливая туманность в форме песочных часов.

Когда звезда наберёт свою массу из окружающего вещества, процесс аккреции прекратится и заберёт с собой эти чудесные виды. К счастью, на небе достаточно звёзд, чтобы найти новый пример для восхищения красотой юных звёзд.

С поддержкой NASA создано видео полёта к «Столпам творения» в созвездии Орла, до которых от Земли 5700 световых лет. Виртуальная камера не только приближается к этой грандиозной естественной «скульптуре» из пыли и газа, но также совершает её облёт, демонстрируя всё великолепие и мощь вселенских явлений. Увидеть массу деталей в этом образовании позволила комбинация видимого изображения от «Хаббла» и инфракрасного от «Уэбба».

Источник изображения: NASA

«Столпы творения» состоят из холодного молекулярного водорода и пыли. Но это не монолит. Из-за сильных ветров и излучения от близлежащих молодых и горячих звёзд столпы начинают разрушаться. На вершинах столбов можно увидеть длинные и тонкие ответвляющиеся структуры, каждая из которых больше, чем наша Солнечная система.

«Пролетая мимо столпов и между ними, зритель знакомится с их трёхмерной структурой и видит, насколько по-разному они выглядят в видимом свете “Хаббла” и в инфракрасном свете “Уэбба”, — пояснил главный специалист по визуализации Фрэнк Саммерс (Frank Summers). — Разница помогает понять, почему у нас есть более одного космического телескопа для наблюдения разных аспектов одного и того же объекта».

Внутри этих структур водород и пыль под действием силы тяжести сжимаются в новые, зарождающиеся звёзды. Эти новые звёзды продолжат процесс рассеивания вещества внутри столпов. Самый высокий из столпов простирается сверху донизу на 3 световых года, что примерно равно 70 % расстояния между Солнцем и ближайшей к нам звездой.

На протяжении всей визуализации мы можем видеть звёзды на разных стадиях формирования — от протозвезд до новорожденных звёзд с джетами. Этот регион настолько богат явлениями звездообразования, что постоянно подбрасывает учёным новые данные о подобных процессах, что, в конечном итоге, позволяет раз за разом уточнять наши знания о самых первых шагах в эволюции звёзд. Наконец, это просто красиво.

Учёные всего мира надеются на космический телескоп «Джеймс Уэбб», чтобы ответить на многочисленные вопросы. Благодаря огромному сегментированному зеркалу и чувствительности к инфракрасному излучению «Уэбб» идеально подходит для изучения сверхдалёких галактик, экзопланет и звёздообразований.

Источник изображения: NASA / ESA / CSA

Группа астрономов из Лаборатории реактивного движения (JPL) под руководством Клауса Понтоппидана (Klaus Pontoppidan) опубликовала новые удивительные снимки звёздообразующего региона, сообщает ExtremeTech. Используя инструмент NIRCam телескопа Уэбб, команда сканировала туманность Змееносца, чтобы больше узнать о процессе звёздообразования. На снимках изображена группа молодых звёзд в туманности Змееносца, расположенного примерно в 1300 световых лет от Земли, извергающих струи газа, которые идеально выровнены в одном направлении.

«Астрономы давно предполагали, что при коллапсе облаков с образованием звёзд, они будут вращаться в одном направлении», — сказал Понтоппидан. «Однако мы никогда раньше этого не видели так явно. Эти выровненные вытянутые структуры по сути являются историческим открытием фундаментального процесса рождения звёзд», — добавил он.

Ярко-красные вытянутые структуры на снимках представляют собой ударные волны от столкновений потоков газа, выбрасываемых звёздами, с окружающим межзвёздным облаком. Этот газ состоит в основном из молекулярного водорода и окиси углерода и заметен в инфракрасном свете как ярко-красная вспышка. До Уэбба эти потоки газа от молодых звёзд были видны лишь как слабые пятна или были вообще невидимы. Телескоп же раскрыл внутренние процессы и ключевые моменты звёздообразования.

Туманность Змееносца имеет и другие интересные особенности, включая «Bat Shadow» (тень летучей мыши), ранее заснятую телескопом Хаббл. Она видна ближе к центру изображения и вызвана протопланетным диском, отбрасывающим тень на плотный газ позади него. А ближе к правой части изображения можно увидеть пределы возможностей Уэбба. Так, тёмные области в этом секторе представляют собой карманы газа, настолько плотного, что даже инфракрасный свет не может пройти сквозь них.

Космический телескоп James Webb работает всего около двух лет, но уже значительно расширил наше понимание Вселенной и подтвердил теоретически предсказанные процессы, такие как выровненные струи в туманности Змееносца. Благодаря успешному запуску, NASA считает, что Уэбб может проработать 20 лет, что вдвое превышает изначально запланированный срок службы.

Космический телескоп NASA «Джеймс Уэбб» в очередной раз удивил учёных. Он сделал открытие в области молодых звёзд WL 20S в Млечном Пути, изучаемой с 1970-х годов. Несмотря на то, что этот регион наблюдался на протяжении десятилетий с помощью пяти других телескопов, потребовались возможности «Джеймса Уэбба», чтобы разглядеть двойную звезду, которую учёные всё это время считали одной звездой.

Концептуальное изображение звёзд-близнецов / Источник изображений: NASA

Поразительное открытие, сделанное с помощью камеры среднего инфракрасного диапазона (Mid-Infrared Instrument, MIRI) «Джеймса Уэбба», было представлено на 244-м заседании Американского астрономического общества в начале этой недели. Было установлено, что звёзды-близнецы в области WL 20S имеют одинаковые газовые шлейфы, простирающиеся в космос с их северного и южного полюсов. Астрономы полагают, что возраст «новооткрытых» звёзд составляет от 2 до 4 миллионов лет.

«У нас отвисли челюсти, — эмоционально прокомментировала открытие астроном Мэри Барсони (Mary Barsony). — После десятилетий изучения этого источника мы были уверены, что знаем его достаточно хорошо. Но без MIRI мы бы так и не узнали, что это две звезды [а не одна] или что эти газовые шлейфы существуют. Это действительно удивительно. Это как иметь совершенно новые глаза».

Группа звезд WL 20 по данным старого космического телескопа NASA «Спитцер»

Дополнительные наблюдения проводились с помощью Atacama Large Millimeter Array (ALMA) — комплекса радиотелескопов, расположенного в чилийской пустыне Атакама, который фиксирует электромагнитное излучение с миллиметровой и субмиллиметровой длиной волны. Было установлено, что обе звезды окружены пылевыми и газовыми дисками, что предполагает возможность формирования планет. Учёные считают, что звёзды-близнецы находятся на завершающем периоде «взросления».

Научный сотрудник проекта MIRI в NASA Майк Ресслер (Mike Ressler) отметил: «Если бы мы не увидели [с помощью MIRI], что это две звезды, результаты ALMA могли бы просто выглядеть как один диск с разрывом посередине. Вместо этого у нас есть новые данные о двух звёздах, которые явно находятся в критической точке своей жизни, когда процессы, сформировавшие их, иссякают».

Актуальные объединённые данные ALMA и MIRI

Ещё более значимым открытие делает тот факт, что область звёздообразования WL 20S в Млечном Пути скрыта за толстыми облаками газа и пыли, которые блокируют большую часть видимого света. Потребовалась способность «Джеймса Уэбба» «видеть» в инфракрасном диапазоне, чтобы за этими слоями газа и космической пыли обнаружить то, что было скрыто от глаз учёных и астрономов с 70-х годов.

Наверное, из астрономов вышли бы хорошие детективы. Они изучают космические явления по таким крошечным отклонениям в данных, что диву даёшься. Новое открытие «Уэбба» из таких — этот космический телескоп помог обнаружить признаки столкновения астероидов в соседней звёздной системе. Такое невозможно разглядеть даже в нашей системе, не говоря уже о расстояниях в десятки световых лет.

Источник изображения: NASA/FUSE/Lynette Cook

Открытие сделано в системе Бета Живописца (β Pictoris) на расстоянии 63,4 световых года от Солнечной системы. Это молодая система с возрастом звезды около 20 млн лет. Как положено молодой звезде, вокруг неё находится протопланетный диск — скопление пыли, камней, комет и астероидов. Иначе говоря, вокруг звезды формируются планеты. Для нас важно знать, как это происходит, и какие в этом процессе есть закономерности. Ответы на эти вопросы позволят понять, насколько уникальны или обычны Солнечная система, Земля и, собственно, человечество?

Около 20 лет назад за Бетой Живописца наблюдал телескоп «Спитцер». Полученные им данные учёные решили проверить с помощью «Уэбба». Более чувствительный «Уэбб» не увидел обнаруженных ранее «Спитцером» скоплений пыли в системе. После анализа данных учёные пришли к выводу, что пыль была развеяна светом звезды, а это означает, что она была достаточно мелкой — как сахарная пудра. И её было много — по массе в 100 тыс. раз больше, чем масса погубившего на Земле динозавров астероида.

Судя по данным «Спитцера» и «Уэбба», около 20 лет назад в системе Бета Живописца произошло столкновение титанических скалистых тел, подобных сформировавшим Землю. Это привело к разрушению астероидов и выбросу облака мелкой нагретой пыли из силикатов. «Спитцер» увидел эту область, но выводы по ней тогда сделать было невозможно — в протопланетном диске и не такое можно увидеть.

Источник изображения: Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins University

Направив туда «Уэбб», учёные больше не обнаружили нагретой области известного масштаба и определённой ранее массы. Она за 20 лет рассеялась, что могло произойти лишь в одном случае — это было облако легчайшей пыли после столкновения астероидов. Отсутствие следов «преступления» так же говорит о событии, как и их присутствие. И если «Уэбб» чего-то не увидел, то это тоже будет открытие. Пожалуй, первое такого рода, как столкновение астероидов в соседней звёздной системе.

На сайте arXiv одновременно появились три статьи, в которых независимые группы учёных пришли к одному выводу: обсерватория «Джеймс Уэбб» подтвердила открытие самой древней галактики в истории наблюдений человечества. Эта галактика активно росла и развивалась менее чем через 300 млн лет после Большого взрыва, что настойчиво подталкивает учёных изменить представление о ранних этапах эволюции Вселенной.

Источник изображения: NASA

С появлением такого мощного инструмента, как космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба, земная наука получила возможность заглянуть в эпоху реионизации и глубже, когда пространство было заполнено нейтральным водородом, который как густой туман рассеивал видимый свет звёзд. Считалось, что в те времена рассвета Вселенной было мало галактик и они были бедны на звёзды, ведь после Большого взрыва прошло всего несколько сотен миллионов лет. Звёзды и их скопления просто не успели бы развиться. «Джеймс Уэбб» ошеломил: плотность галактик и их яркость оказались впечатляющими даже в начале эпохи реионизации.

Удалённость и сложность измерений не позволяли сразу понять, какие галактики древние, а какие просто уходят в красный спектр по причине преобладания соответствующего типа звёзд. Разобраться с этим позволяют спектральные приборы «Уэбба». Они более-менее точно определяют красные смещения галактик, что позволяет судить об истинной удалённости этих объектов.

До недавнего времени самой древней подтверждённой галактикой была JADES-GS-z13-0, обнаруженная через 320 млн лет после Большого взрыва. Новой самой древней галактикой стала JADES-GS-z14-0, пойманная в объектив «Уэбба» менее чем через 300 млн лет после Большого взрыва. Масса этой галактики оказалась примерно на уровне 10 % от массы Млечного Пути, а её звёздное население росло со скоростью 25 солнечных масс в год. Обнаружить такой яркий объект и так рано — это ломает устоявшиеся представления об эволюции звёзд и галактик. Слово за вами, теоретики!

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) прислал снимки карликовой галактики NGC 4449, в которой наблюдается вспышка звездообразования — этот процесс был спровоцирован в результате поглощения ещё более компактной галактики NGC 4449B.

Галактика NGC 4449. Источник изображений: esawebb.org

NGC 4449 находится на расстоянии 12,5 млн световых лет от Земли и наблюдается в созвездии Гончие Псы. Она имеет много общего с Большим Магеллановым Облаком — галактикой, которая обращается вокруг Млечного Пути. Обе они имеют небольшие размеры и неправильную форму, а также проходящую через центр характерную полосу. Но в отличие от нашего ближайшего соседа, в NGC 4449 происходит активное звездообразование по всей длине и ширине. Звездообразование происходит, когда наполняющий галактику газ молекулярного водорода начинает испытывать возмущения в результате гравитационного взаимодействия или столкновения с другой галактикой.

Галактика NGC 4449 (NIRCam)

NGC 4449 входит в группу M94, состоящую из примерно двух десятков галактик, а значит, у неё есть несколько соседей, с которыми возможно взаимодействие. Доказательства такого взаимодействия были получены в 2012 году — это поглощение меньшей галактики-спутника NGC 4449B. Гравитационные приливные силы создали турбулентность в молекулярном газе вокруг NGC 4449, что привело к образованию многочисленных скоплений молодых звёзд. Эти скопления хорошо видно на снимках, полученных камерами ближнего (NIRCam, длина волны от 0,6 до 5 мкм) и среднего (MIRI, 5–28 мкм) инфракрасного диапазона. Изображения сильно отличаются друг от друга, цвета же на них не соответствуют действительности, а отражают картину в инфракрасном диапазоне.

Галактика NGC 4449 (MIRI)

Снимок NIRCam демонстрирует скопления недавно родившихся горячих звёзд на фоне более старых, чей свет обозначен рассеянным голубым свечением. Яркий центр окружен пыльными завитками, которые отмечают области звездообразования в облаках молекулярного газа, ионизированного излучением находящихся в скоплениях молодых звёзд — эти скопления представлены компактными голубыми областями. Изображение MIRI демонстрирует пыльный скелет NGC 4449, который кажется более концентрированным, чем вещество, запечатлённое NIRCam. В облаках пыли, обозначенных оранжево-красным цветом, содержатся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Эти молекулы являются строительными блоками межзвёздных пылевых частиц, а также играют ключевую роль в распространении органики. Ярко-жёлтые области — места активного звездообразования, а ярко-синие пятна свидетельствуют о звёздах в галактике.

В совокупности NIRCam и MIRI наглядно демонстрируют, что происходит в переживающей бурную фазу галактике, чьё развитие предопределено на миллиарды лет вперёд. NGC 4449 — пример того, что может произойти в Большом Магеллановом Облаке, если взаимодействие этой галактики с малым Магеллановым Облаком или даже Млечным Путём усилится. NGC 4449 также повторяет историю небольших галактик, которые существовали в ранней Вселенной — они стали строительными блоками более крупных, а звёздные вспышки в них породили значительную часть ионизирующей энергии, которая положила конец Тёмным векам Вселенной. Другими словами, NGC 4449 — это окно одновременно в прошлое и будущее галактической эволюции.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» получил, похоже, одни из самых ценных снимков за время своей работы. С его помощью учёным удалось увидеть, как рождались первые галактики во Вселенной. Это наблюдение в общем случае подтвердило нашу теорию об эволюции звёзд, галактик и самой Вселенной.

Источник изображения: NASA

«Можно сказать, что это первые "прямые" изображения формирования галактик, которые мы когда-либо видели, — пояснил ведущий автор исследования Каспер Эльм Хайнц (Kasper Elm Heintz), астрофизик Центра космического рассвета (DAWN) в Дании. — В то время как ранее "Джеймс Уэбб" показывал нам ранние галактики на более поздних стадиях эволюции [уже сформированные], здесь мы являемся свидетелями самого их рождения и, следовательно, построения первых звёздных систем во Вселенной».

Телескоп получил изображения трёх галактик примерно через 400–600 млн лет после Большого взрыва. На тот момент галактики представляли собой скопления сгустков тёмной и обычной материи, по-видимому, с чёрной дырой в их центрах. Звёзд в них ещё не было или их было исчезающее мало, и лишь на ранних стадиях эволюции. Обычная материя в те времена — это практически один водород. Именно его движение и поглощение засекли спектральные приборы «Уэбба».

Как это увидел «Уэбб»

На сделанных космической обсерваторией снимках учёные смогли различить движение водорода внутрь и по краям формирующихся галактик. Со временем под действием гравитации плотность газа в отдельных местах формирующихся галактик достигнет такого значения, которое запустит термоядерные реакции и породит первые звёзды. Но это будет потом и, к тому же, всё это мы видели на более поздних стадиях развития Вселенной. Увидеть фактически зачатие первых галактик — это редкая удача и, кстати, исследователи утверждают, что они выбирали цель для работы наобум, не до конца понимая, что же они хотят найти.

Астрономы пока не знают, как распределяется газ между центрами галактик, а также на их окраинах. Будущие наблюдения могут не только помочь решить эту задачу, но и показать, полностью ли газовые облака этих галактик состоят из первичного водорода или уже содержат более тяжёлые элементы.

Из более чем 5000 экзопланет учёные открыли единицы объектов с крайне низкой плотностью, которые стали называть пухлыми планетами (puffy planet). Загадку одной из таких планет, похоже, помог разгадать космический телескоп им. Джеймса Уэбба. Вчера в журнале Nature одновременно вышли две статьи, которые объясняют, как могла образоваться планета с плотностью хлопка.

Художественное представление экзопланеты WASP-107b. Источник изображения: NASA

«Данные "Уэбба" говорят нам, что планеты, подобные WASP-107b, не должны были формироваться каким-то странным образом со сверхмалым ядром и огромной газовой оболочкой, — пояснил Майкл Лайн (Michael Line), экзопланетолог из Университета штата Аризона. — Вместо этого мы можем взять что-то более похожее на Нептун, с большим количеством камня и не таким большим количеством газа, просто увеличить температуру и это придаст ему тот вид, который мы наблюдаем [в случае WASP-107b]».

Экзопланета WASP-107b была обнаружена в 2017 году у звезды на удалении 200 световых лет в созвездии Девы. Размеры WASP-107b примерно соответствуют размерам Юпитера, но её масса составляет всего 12 % от массы этого газового гиганта. Это делает экзопланету такой же пухлой, как разогретый в микроволновке зефир. Исходя из этих данных, экзопланета WASP-107b должна обладать экстремально небольшим каменистым ядром.

Наблюдения показали, что атмосфера экзопланеты раздута сильнее, чем показывает моделирование. Хотя планета вращается очень близко к своей звезде (на расстоянии примерно равном 1/7 от Меркурия до Солнца), энергии звезды не хватило бы, чтобы нагреть и раздуть атмосферу экзопланеты до фиксируемых размеров. Будь ядро у экзопланеты больше, за время её существования атмосфера бы стала меньше за счёт остывания, но этого тоже нет.

Больше ясности внёс космический телескоп «Уэбб», который дополнил предыдущие наблюдения «Хаббла» и одно прежнее собственное наблюдение. В спектре атмосферы экзопланеты учёные не обнаружили метан, хотя другие углеродсодержащие газы легко и обильно в ней распознавались. Это заставило сделать предположение, что ядро экзопланеты нагрето намного сильнее ожидаемого. Если это так, тот метан ещё в ядре планеты распадается на монооксид углерода и углекислый газ. Но откуда же берётся избыточное тепло, если энергии звезды недостаточно для нагрева?

Как заявляют учёные, экзопланета WASP-107b вращается вокруг своей звезды по вытянутой орбите. Благодаря этому недра экзопланеты подвергаются приливной деформации. Именно эти процессы дают избыточное тепло, которое сильнее разогревает газы в ядре и нижние слои атмосферы. Внизу метан быстро распадается, а интенсивное перемешивание газа в атмосфере вымывает метан также из верхних её слоёв. Тем самым учёные объяснили сразу две загадки экзопланеты, почему она такая рыхлая и почему в её атмосфере нет метана. А ещё на этой экзопланете идут дожди из песка. Но это уже другая история.

В рамках отрабатываемой обсерваторией им. Джеймса Уэбба программы PDRs4All («область фотодиссоциации для всех») исследователи получили самые детальные снимки Туманности Ориона. Это ближайшая к нам область звездообразования, иначе называемая звёздными яслями. Каждый элемент причудливой формы из газа и пыли в этой области — это бесценный кладезь знаний о самых первых этапах зарождения звёзд, изучать которые можно десятилетиями.

Источник изображений: PDRs4All

Мы же начнём с неземной красоты Туманности Ориона. Этот объект виден с Земли невооружённым взглядом, и учёные тысячелетиями пытались разгадать его происхождение и сущность. Расположена туманность в 1500 световых годах от Солнечной системы. В видимом диапазоне многие структуры туманности разглядеть нельзя — мешают плотные скопления пыли и газа. Инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб» стал тем инструментом, который способен заглянуть внутрь нагретых облаков, пыль и газ которых разогревает и разгоняет ультрафиолетовое излучение молодых и горячих звёзд.

Более того, излучение молодых звёзд меняет не только физические формы пыли и газа, оно ещё запускает множество химических процессов в веществе туманности. Собственно, название программы изучения физики и химии областей звездообразования говорит само за себя — она изучат в них процессы фотодиссоциации. И здесь «Уэбб» стал незаменим. Его спектрометры не такие широкоугольные, как оптические и инфракрасные приборы, но способны предоставить в тысячу раз больше информации на каждый кадр, чем приборы, работающие с видимым светом.

В Туманности Ориона учёные обнаружили свыше 600 химических веществ и соединений, которые расскажут о химии областей, где рождаются звёзды. Собрано столько данных, что их будут анализировать не одно десятилетие, говорят участники программы. Материала так много, что по этому наблюдению в журнале Astronomy & Astrophysics одновременно вышло шесть статей. И это только верхушка айсберга!

В опубликованной в четверг работе в журнале The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society группа астрономов сообщила, что обнаружила древнейшее за всё время наблюдений столкновение сверхмассивных чёрных дыр. Слияние этих колоссальных объектов произошло через 740 млн лет после Большого взрыва. Это стало доказательством, что чёрные дыры с самого начала играли значительную роль в эволюции галактик, и объяснило их стремительный рост в древности.

Квазар ZS7. Источник изображения: NASA

С появлением невероятного по чувствительности в инфракрасном диапазоне космического телескопа им. Джеймса Уэбба астрономам стали открываться явления в ранней Вселенной, куда предыдущее приборы не могли заглянуть. Это период, когда Вселенная ещё не перешагнула рубеж первого миллиарда существования из нынешних примерно 13,8 млрд лет.

Одной из загадок детства Вселенной стало открытие множества сверхмассивных чёрных дыр до первого миллиарда её развития. Согласно нашим теориям, эти объекты никак не успевали в то время развиться до детектируемых масс от нескольких десятков млн солнечных масс до млрд солнечных масс. На эти процессы должны уходить миллиарды лет, а не сотни миллионов, как показывают данные «Уэбба». Новое наблюдение как раз объясняет, каким образом чёрные дыры могли быстро набирать массу в древности, и это слияния, которых в те времена не должно было бы быть так много, чтобы они оказали влияние на всю последующую эволюцию галактики и самой Вселенной. Похоже, земная наука ошибалась на этот счёт.

«Наши результаты показывают, что слияние является важным путём, по которому чёрные дыры могут быстро расти даже на заре космоса, — сказала в заявлении руководитель исследования и учёный из Кембриджского университета Ханна Юблер (Hannah Übler). — Вместе с другими открытиями «Уэбба» активных массивных чёрных дыр в далёкой Вселенной наши результаты также показывают, что массивные чёрные дыры формировали эволюцию галактик с самого начала».

По факту исследователи засекли признаки активности древнего квазара — активного центра галактики ZS7, в центре которого живёт и быстро питается сверхмассивная чёрная дыра. Спектральной чувствительности «Уэбба» хватило, чтобы увидеть в излучении объекта две составляющие. Обе они оказались сверхмассивными чёрными дырами на грани слияния. Об этом подсказало интенсивное излучение от разогретого газа в аккреционном диске чёрных дыр, а также анализ плотности ионизированного газа.

Масса одного из объектов была определена с достаточной точностью — она составила 50 млн солнечных. Масса второй чёрной дыры оценивается как примерно такая же, но точно учёные сказать не смогли — этому помешало плотное скопление газа на пути излучения.

«Звёздная масса изученной нами системы [галактики ZS7] аналогична массе нашего соседа, Большого Магелланова облака, — поясняют учёные. — Мы можем попытаться представить, как могло бы повлиять на эволюцию сливающихся галактик, если бы в каждой галактике была одна сверхмассивная чёрная дыра, такая же большая, как у нас в Млечном Пути». Тем самым астрономы намекают, что наши модели эволюции галактик явно не учитывают множества аспектов их поведения на заре появления и это надо исследовать.

Кстати, с июня этого года «Уэбб» будет регулярно предоставляться для наблюдений сверхмассивных чёрных дыр, так что новых открытий будет не много, а очень много. Впрочем, больше информации о столкновениях чёрных дыр предоставят учёным гравитационно-волновые обсерватории, первые из которых уже работают. Такие обсерватории следующего поколения и, особенно, космического базирования смогут фиксировать столкновения чёрных дыр далеко и обильно. Жаль только, что заработают эти инструменты не раньше середины следующего десятилетия.