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.

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.

Сборная группа астрономов сообщила о завершении анализа самых последних данных, полученных от космической обсерватории «Кеплер». Финальная научная кампания телескопа продлилась около двух недель, в последнюю из которых телескоп был почти неуправляемым. Но даже из такого набора данных учёные смогли вытянуть информацию о трёх новых обнаруженных экзопланетах. Телескоп выдавал результат до последней капли топлива в баках.

Источник изображения: NASA Jet Propulsion Laboratory

Обсерватория «Кеплер» создавалась для охоты за экзопланетами. Телескоп был запущен в 2009 году на орбиту вокруг Земли. Аппарат должен был следить за яркостью звёзд на северном небе, определяя наличие экзопланет по провалам в кривой блеска звёзд, когда планеты пересекали их диски. За четыре года «Кеплер» отследил кривые блеска 150 тыс. звёзд и обнаружил около 2000 экзопланет. На этом срок его миссии закончился, но научная работа не прекратилась — в баках обсерватории ещё оставалось топливо.

Впрочем, проблема была не только в заканчивающемся горючем. За 4 месяца до завершения миссии у телескопа отказал один из гироскопов, а ещё через 10 месяцев после окончания топлива отказал второй (всего их было 4). Телескоп стало трудно ориентировать и удерживать в стабильном положении, и его на время отключили. Весной 2014 года «Кеплер» вернули к работе, решив задачу стабилизации оригинальным образом. Третьей «точкой опоры» стал солнечный ветер. Это не позволяло направлять телескоп куда вздумается, но в пару десятков мест неба «Кеплер» теперь мог смотреть с уверенностью.

После этого телескоп работал ещё свыше четырёх лет, делая это «набегами», которые учёные стали называть кампаниями. Последняя кампания началась в августе 2018 года на почти сухих баках. Десять дней «Кеплер» собирал высококачественные данные и ещё неделю смог проработать с постоянной потерей стабилизации. 30 октября 2018 года телескоп официально отправлен на пенсию.

За почти девять лет наблюдений он открыл свыше половины из надёжно зарегистрированных за пределами нашей системы 5000 экзопланет. И даже последние дни работы телескопа принесли открытия — расшифрованные данные рассказали об открытии двух экзопланет и одного кандидата в экзопланеты.

Интересно добавить, что к анализу последних данных «Кеплера» привлекли астрономов-любителей. Энтузиасты охотно тратят личное время на ручной анализ данных. Именно благодаря им были сделаны открытия в последних данных «Кеплера», для чего потребовалось глазами просмотреть кривые блеска почти 33 тыс. звёзд.

Две подтвержденные планеты — это K2-416 b, которая примерно в 2,6 раза больше Земли и обращается вокруг своей звезды примерно каждые 13 дней, и K2-417 b — чуть более крупная планета, которая более чем в три раза больше Земли и обращается вокруг своей звезды каждые 6,5 дней. Из-за размера и близости к своим звёздам обе планеты относятся к классу «горячих мини-нептунов». Они расположены на расстоянии около 400 световых лет от Земли.

Планета-кандидат EPIC 246251988 b — это самая большая из трёх планет. Она почти в четыре раза больше Земли. Эта планета размером с Нептун и обращается она по орбите вокруг своей звезды примерно за 10 дней. От Земли до неё 1200 световых лет.

«Мы обнаружили, вероятно, последние планеты, когда-либо открытые "Кеплером", в данных, полученных, когда космический аппарат буквально работал на износ, — сказал Эндрю Вандербург, доцент физики факультета астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института. — Сами планеты не особенно необычны, но их нетипичное открытие и историческое значение делают их интересными».

В NASA сообщили, что 288-Мп мультиспектральный датчик изображений установлен в камеру Wide Field Instrument (WFI), которая станет основой космического телескопа «Нэнси Грейс Роман» (WFIRST). Телескоп «Роман» будет за раз делать снимок в 100 раз большего участка неба, чем способен «Хаббл», но с тем же уровнем детализации. Это будет невообразимый по возможностям инструмент, запуск которого ожидается в мае 2027 года.

Последний штрих — установка защитной крышки на массив датчиков. Источник изображения: NASA/Chris Gunn

Массив датчиков с электроникой или Focal Plane System (FPS) разработан инженерами Центра космических полетов NASA им. Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, и специалистами компании Teledyne Scientific & Imaging в Камарилло, штат Калифорния. Команда NASA также разработала электронику и собрала FPS.

Непосредственно сборкой камеры Wide Field Instrument (WFI) занимаются инженеры компании Ball Aerospace в Боулдере, штат Колорадо. Некоторое время назад массив датчиков был доставлен в сборочный центр и на днях его установили в прибор. Массив состоит из 18 отдельных матриц изображения, каждая из которых имеет разрешение 16,8 Мп. Все вместе они будут делать огромные инфракрасные снимки неба, каждый из которых по полю зрения будет в сто раз превышать кадр, сделанный «Хабблом».

Завершится сборка камеры WFI установкой систем охлаждения. Датчики инфракрасного телескопа должны надёжно охлаждаться до очень и очень низких температур, без чего свет от далёких звёзд и галактик просто не получить. В частности, рабочая температура датчиков должна быть -178 °C. Тепло будет отводить массив радиаторов, который рассеет его в открытое пространство.

Телескоп «Нэнси Грейс Роман» в представлении художника

После установки радиаторов камера «Роман» будет готова к термальным вакуумным испытаниям, которые пройдут этим летом. Для интеграции камеры в состав обсерватории она будет возвращена в центр NASA, что ожидается весной будущего года. Запуск обсерватории, напомним, предварительно намечен на май 2027 года.

Используя данные рентгеновской обсерватории NASA «Чандра» (Chandra) и других телескопов учёные обнаружили неизвестную ранее угрозу для жизни на планетах земного типа. На определённой фазе процесса образования сверхновых исходящее от области взрыва рентгеновское излучение способно уничтожить биологическую жизнь на планетах в радиусе до 100 световых лет и больше. Раньше это явление не принималось во внимание. Но теперь к нему надо отнестись со всей серьёзностью.

Воздействие сверхновой и гибель жизни на планете земного типа в представлении художника. Источник изображения: NASA

Традиционно опасными для всего живого периодами в явлении сверхновых считались гамма-излучение в первые дни и месяцы после взрыва, а также поток высокоэнергичных частиц, приходящий через сотни и тысячи лет.

Новые наблюдения показали, что в процессе взрыва сверхновой возникает ещё одна угроза — поток рентгеновского излучения, который возникает в результате удара взрывной волны сверхновой звезды о плотный газ, окружающий взорвавшуюся звезду. Генерируемый процессом поток излучения может достичь обитаемой планеты в течение месяцев или лет и будет длиться десятилетиями, что приведёт к вымиранию биологической жизни на планетах земного типа.

Полученные данные проверены при наблюдении 31 сверхновой и последствий их взрывов. Наблюдения проводились в основном с помощью рентгеновской обсерватории NASA Chandra, и миссий Swift и NuSTAR, а также XMM-Newton Европейского космического агентства. Из данных следует, что планеты могут подвергнуться смертельным дозам радиации, находясь на расстоянии около 160 световых лет. На составном изображении ниже показаны четыре сверхновые в исследовании (SN 1979C, SN 1987A, SN 2010jl и SN 1994I).

Источник изображения: NASA/CXC/Univ. of Illinois/I. Brunton et al.

Среди представленных в наборе изображений четырёх сверхновых объект SN 2010jl произвёл наибольшее количество рентгеновского излучения. По оценкам авторов, эта сверхновая обеспечила смертельную дозу рентгеновского излучения для планет земного типа, находящихся на расстоянии менее 100 световых лет от неё.

Длительный поток рентгеновского излучения может серьёзно изменить химический состав атмосферы планеты. В частности, для похожей на Землю планеты этот процесс может привести к уничтожению значительной части озона, который защищает жизнь от опасного ультрафиолетового излучения звезды-хозяина. Это также может привести к гибели широкого спектра организмов, особенно морских, находящихся в основании пищевой цепи, что приведет к вымиранию.

В изменённом составе атмосферы начнёт преобладать диоксид азота, что проявит себя в виде образования коричневой дымки в воздухе. Растения на суше начнут погибать, и процесс рискует стать необратимым (это явление проиллюстрировано на заглавном изображении).

На Земле найдены изотопы, образование которых учёные объясняют избыточным гамма-излучением — это явный признак работы сверхновых. Тем самым последствия от взрывов могли сказаться на Земле в период от 2 до 8 млн лет назад. Оценки дают данные, что эти сверхновые находились на расстоянии от 65 до 500 световых лет от Земли.

В настоящее время Земля и Солнечная система находятся в безопасном пространстве с точки зрения потенциальных взрывов сверхновых, но масса других планет в Млечном Пути таковыми не являются. Поэтому такие высокоэнергетические события рискуют значительно сократить области в нашей галактике, известные как Галактическая зона обитаемости, где потенциально может существовать биологическая жизнь.

Авторы настоятельно рекомендуют проводить последующие наблюдения за взаимодействующими сверхновыми в течение месяцев и лет после взрыва, что позволит нам полнее оценить их опасность и степень влияния на близлежащие миры. Не стоит искать жизнь в радиационной пустыне, лишних ресурсов на это попросту нет.

Космическая обсерватория «Хаббл» была выведена на орбиту в челноке «Дискавери» 25 апреля 1990 года. Свою 33-летнюю годовщину научной работы телескоп отметил потрясающим снимком зоны звездообразования в созвездии Персея. Это символично — фотография звёздных яслей ко дню рождения. Свыше 4,5 млрд лет назад наше Солнце рождалось в таком же или даже более активном котле из молекулярного газа и пыли.

Область звездообразования в виде молекулярного облака Персей. Нажмите, чтобы увеличить. Источник изображения: NASA, ESA

Область звездообразования в виде молекулярного облака Персей (Perseus Molecular Cloud), включая объект NGC 1333, давно привлекает внимание учёных. Ранее её рассматривал один из предыдущих орбитальных инфракрасных телескопов «Спитцер» (Spitzer Space Telescope). «Хаббл» не может заглянуть так далеко и детально в облако из пыли и газа, поскольку он работает в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, но ценность наблюдения от этого не падает, ведь одни данные дополняют другие, создавая более полную картину.

В верхней части снимка мы видим голубую сияющую сквозь завесу пыли яркую звезду (на увеличенном изображении). Мелкая пыль рассеивает звездный свет в синем диапазоне длин волн. В средней части снимка ещё одна яркая сверхгорячая звезда светит сквозь пряди пыли подобно Солнцу за облаками. Разбросанные вокруг звёзды выглядят красноватыми, но это потому, что пыль хорошо фильтрует остальные длины волн, меньше всего задерживая красный цвет.

В нижней части снимка в почти сплошной черноте — в пыли и копоти межзвёздного вещества, которое когда-нибудь станет звёздами и планетами со всем, что на них появится — выделяется яркая прореха. Это пятно — красноватое свечение ионизированного водорода. Струи ионизированного водорода свидетельствуют о рождении звёзд в глубине кадра, которых мы не видим на изображении. Там эти невидимые звёзды окружены околозвездными дисками, которые со временем могут породить планетные системы. Эти образования формируют мощные магнитные поля, которые и направляют струи горячего газа сквозь завесу пыли.

Это как лазерное шоу в тумане. Это признак рождающихся в пыли и газе звёзд. Около 4,6 млрд лет назад в таких же условиях родилось наше Солнце. Оно рождалось не одно, а в окружении других звёзд и, возможно, даже в более насыщенном котле вещества, чем мы видим на снимке «Хаббла».

За время научной работы телескоп «Хаббл» выполнил около 1,6 млн наблюдений почти 52 000 небесных объектов. Несмотря на ряд проблем, научная программа обсерватории продлена до 2026 года. Более того, NASA рассматривает вариант поднятия орбиты телескопа и его заправку и ремонт, что продлит его работу ещё на больший отрезок времени. Над этим проектом работает компания SpaceX, но окончательного решения по этому вопросу пока нет.

В серии наблюдений «Хаббла» астрономы увидели явную помеху — светлый росчерк, который сочли попаданием в датчик космической частицы. Но детальное изучение снимка принесло нечто ранее невиданное. Оказалось, что на снимке чёрная дыра во всю прыть убегала из двойной системы чёрных дыр и на ходу теряла зарождающиеся звёзды. Такое-то придумать сложно, а увидеть — так просто чудо.

«Космический бильярд» глазами художника. Источник изображения: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Согласно проделанным расчётам, сверхмассивная чёрная дыра с массой около 20 млн масс Солнца быстро удаляется от двойной системы чёрных дыр. Беглянка оставила за собой невиданный ранее шлейф из новорожденных звёзд длиной 200 000 световых лет. Длина шлейфа в два раза превышает диаметр нашей галактики Млечный Путь — это колоссальное и абсолютно необычное образование.

«Мы думаем, что видим за чёрной дырой след, в котором газ охлаждается и способен образовывать звезды. Таким образом, мы наблюдаем звездообразование за чёрной дырой, — сказал ведущий автор исследования. — То, что мы видим, это последствия. Как след за кораблем, мы видим след за чёрной дырой». Учитывая, что шлейф за чёрной дырой почти в два раза ярче связанной с ним галактики, в следе должно быть много новых звёзд, полагают учёные.

Чёрная дыра не успевает поглотить вещество позади себя, поскольку движется очень быстро. Но и летящий впереди неё газ тоже падает на дыру не весь. Это ионизированный кислород, ярко светящийся на снимке либо от аккреции вещества на дыру, либо от ударных процессов. Что там происходит точно, учёные не берутся пока судить. Для этого будут проведены дополнительные исследования, включая наблюдения с помощью «Джеймса Уэбба».

То же событие на датчиках «Хаббла». Источник изображения: NASA, ESA

Условным началом этого необычного космического бильярда можно считать вероятное образование 50 млн лет назад двойной системы из чёрных дыр — она родилась из двух сошедшихся галактик. Затем появилась третья галактика со своей сверхмассивной чёрной дырой в центре и в системе началась гравитационная разбалансировка. Одна из трёх чёрных дыр получила импульс и была выброшена из галактики-хозяина. Она полетела в одну сторону, а пара других дыр — в другую. Похоже, что двойная система чёрных дыр тоже покидает галактику-хозяина, поскольку в её центре чёрные дыры не определяются, а на границе замечена активность.

Ждём новых данных от телескопов «Джеймс Уэбб» и «Чандра». Обнаруженное астрономами событие настолько необычное, что оно ещё сможет удивить.