Группа астрономов из Миланского университета впервые измерила объём и распределение воды в протопланетном диске у молодой звезды. Измерения проводились миллиметровой антенной решёткой ALMA Южной европейской обсерватории. Работа позволила взглянуть как будто бы на Солнечную систему 4,5 млрд лет назад и понять, как и откуда на Земле могла появиться вода в том объёме, в котором мы её видим вокруг себя.

Распредление водяного пара в протопланетном диске в данных ALMA. Источник изображения: ALMA/ESO/NAOJ/NRAO/S. Facchini

Существует несколько гипотез появления воды на Земле, а значит, и необходимого компонента для зарождения биологической жизни на нашей планете. Вода могла появиться вместе с образованием планетарного тела, её могли занести на Землю астероиды и кометы, либо сработали оба источника. Пристальное изучение молодой звезды HL Тельца на удалении 450 световых лет от нас приоткрывает завесу тайны над происхождением воды на нашей и других планетах во Вселенной.

Изучение относительно холодного протопланетного диска вокруг звезды возрастом около одного миллиарда лет и массой около 2,1 солнечных показало, что в пределах семи астрономических единиц присутствует достаточно много водяного пара, температура которого постепенно снижается по мере удаления от звезды. Расчёты и данные измерений на двух длинах волн показали, что в области протопланетного диска находится воды примерно в 3,7 раз больше, чем во всех земных океанах.

Более того, водяной пар обнаружен также в зазоре между двумя широкими областями протопланетного диска (между кольцами). Такие зазоры обычно образуют зародыши планет, сметающие всё на своём орбитальном пути (или прибирающие к рукам) в процессе формирования будущей планеты.

Проделанная работа однозначно указывает, что вода изначально в избытке присутствует в протопланетном диске. Это не опция, а распространённое явление, что позволяет надеяться, что планет земного типа с появившейся там биологической жизнью во Вселенной всё же больше одной.

За потрясающими снимками Вселенной всегда стоит работа нескольких телескопов, каждый из которых работает в своём диапазоне электромагнитного излучения. Вся мощь «Уэбба» или «Хаббла» неспособна передать красоту космоса без данных в рентгеновском, радиочастотном и ультрафиолетовом диапазоне. Поднимая уровень оптических и инфракрасных телескопов на уровень вверх, мы не должны забывать о создании более совершенных инструментов для других частот.

Галактика Андромеда в ультрафиолетовом спектре по данным телескопа Swift. Источник изображения: NASA

Как стало известно, NASA официально утвердило создание ультрафиолетового телескопа следующего поколения, который должен быть отправлен в космос на рубеже 30-х годов. Это будет миссия Ultraviolet Explorer (UVEX) для изучения неба в ближнем и дальнем ультрафиолетовом спектре. Предыдущий подобный инструмент — Galaxy Explorer (GALEX) — работал с 2003 по 2013 год. Новый телескоп будет в 50–100 раз чувствительнее приборов GALEX.

Перед новым ультрафиолетовым телескопом будет стоять две задачи. Во-первых, он должен будет составить карту неба в ультрафиолетовом диапазоне. Во-вторых, телескоп получит возможность быстро менять ориентацию, чтобы получать изображения переходных процессов: взрывов сверхновых, слияния звёзд, джеты чёрных дыр и нейтронных звёзд и других энергетических явлений. Это станет ценнейшим дополнением к гравитационно-волновым наблюдениям неба, когда крайне сложно выявить источник гравитационной волны.

При обзоре неба в ультрафиолете мы сможем увидеть самые горячие объекты в ней. Прежде всего, это молодые и старые звёзды, когда процессы в ядрах находятся на критических стадиях активности. Также данные в ультрафиолетовом диапазоне позволят увидеть галактики с низким содержанием металлов и ряд других объектов.

Ориентировочная стоимость подготовки миссии UVEX без расходов на запуск составит $300 млн. Телескоп будет рассчитан на два года научной работы. Главные детали миссии уже проработаны, как и есть технико-экономическое обоснование проекта. Через год-два должно стартовать производство аппарата и его научных приборов.

Проблема первородства звёзд и чёрных дыр — это своего рода проблема курицы и яйца. Что появилось раньше? Мы видим, как массивные звёзды превращаются в чёрные дыры — это доказанный факт. Одновременно с этим мы замечаем в ранней Вселенной присутствие сверхмассивных чёрных дыр, которые просто не успели бы вырасти до регистрируемых масс. «Джеймс Уэбб», похоже, готов дать ответ на эту загадку.

Источник изображения: The Astrophysical Journal Letters

На днях в журнале The Astrophysical Journal Letters была опубликована работа, в которой группа учёных из Университета Джона Хопкинса в США и Университета Сорбонны во Франции собрала данные «Уэбба» по обнаруженным в ранней Вселенной чёрным дырам и представила больше доказательств в пользу гипотезы об одновременном рождении звёзд и чёрных дыр. Эти данные будут набираться и дополняться новыми наблюдениями, что позволит со временем создать стройную теорию эволюции объектов во Вселенной и её самой.

Учёные обратили внимание, что «Уэбб» обнаружил одну сверхмассивную чёрную дыру через 470 млн лет после Большого взрыва, а другую — через 400 млн лет. Масса последней была определена на уровне 1,6 млн солнечных. Она находилась в центре галактики, которая была легче, чем дыра в её сердцевине. Чёрная дыра подобной массы не могла вырасти до фиксируемого значения. Из того, что мы наблюдали, чёрные дыры возникали после коллапса умирающих звёзд массой свыше 50 солнечных. Ничего подобного в ранней Вселенной не могло произойти, чтобы проявился наблюдаемый там эффект — крошечная галактика, собранная вокруг СЧД.

Исследователи делают вывод, что первичные чёрные дыры образовались одновременно с первыми звёздами или чуть раньше из облаков первичной материи. Центры облаков коллапсировали и возникшая в каждом из них чёрная дыра начинала испускать ветер, запускающий и ускоряющий процесс звездообразования. Фактически первичные чёрные дыры стали тем инструментом, который собрал и превратил галактики в те структуры, которые мы наблюдаем.

«Мы утверждаем, что от чёрных дыр отлетают газовые струи облаков, превращая их в звёзды и значительно ускоряя скорость звездообразования, — говорят авторы работы. — Мы не можем точно разглядеть эти сильные ветры или струи далеко-далеко, но мы знаем, что они должны присутствовать, потому что мы видим много чёрных дыр на ранних стадиях развития Вселенной».

Считается, что планеты формируются в протопланетных дисках в виде сферических тел, постепенно набирая массу из окружающего ядро вещества. Как показало моделирование, иногда это может быть не так и планета на ранних стадиях зарождения вполне может оказаться достаточно плоской формы.

«Плоская Земля» в представлении ИИ. Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Как полагают учёные из Университета Центрального Ланкашира (UCLan), эволюция планет на ранних стадиях развития изучена недостаточно хорошо. В целом преобладает мнение, что от начала до конца зародыш планеты растёт равномерно и имеет шарообразную форму. Менее поддержана гипотеза так называемого нестабильного диска: на ранних стадиях эволюции центральная область зарождающейся планеты имеет скорее плоскую форму, чем сферическую.

Когда-нибудь наши телескопы станут достаточно чувствительными, чтобы напрямую изучать планеты на всех этапах их эволюции. В принципе, на примере планет-гигантов это можно делать уже сейчас, достаточно найти подходящих кандидатов. Кстати, космический телескоп им. Джеймса Уэбба занимается, в том числе, и такой задачей. Но пока достаточных для наблюдения данных нет, приходится проводить моделирование на компьютере.

«Мы долгое время изучали формирование планет, но никогда раньше нам не приходило в голову проверить форму планет по мере их формирования в ходе моделирования, — сказал один из соавтор исследования Димитрис Стамателлос (Dimitris Stamatellos). — Мы всегда предполагали, что они сферические».

Моделирование протопланеты, формирующейся методом нестабильного диска. Вид сверху и сбоку Источник изображения: UCLan

Моделирование показало, что когда планеты формируются с помощью процесса нестабильности диска, они не демонстрируют равномерный сферический рост. Наоборот, на полюсах в таких случаях собирается больше вещества, чем в экваториальной зоне, что превращает их в «сплюснутый сфероид» или, говоря проще, на этом этапе формирования молодая планета похожа на сильно приплюснутое яйцо. В итоге она всё равно становится сферической формы, но определённый этап с некоторой натяжкой может считаться периодом плоской земли.

Статья опубликована в одном из самых престижных астрономических журналов — Astronomy and Astrophysics Letters.

В показаниях космического рентгеновского телескопа ESA XMM-Newton учёные обнаружили странные данные, которые не соответствовали всем предыдущим наблюдениям. Сверхмассивная чёрная дыра (СЧД) в центре галактики Markarian 817 около года испускала сверхбыстрый ветер из частиц, оставаясь при этом в стадии средней активности. Раньше подобное наблюдалось только для сверхактивных СЧД и случалось крайне редко.

Художественное представление чёрной дыры, испускающей ветер из заряжённых частиц. Источник изображения: ESA / CC BY-SA 3.0 IGO

В редких случаях чрезвычайной активности сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики испускает настолько сильный ветер — выброшенные электромагнитными полями частицы вещества из аккреционного диска, что он буквально выдувает межзвёздные газ и пыль за пределы галактики. Это прекращает звездообразование и, по сути, определяет облик и судьбу галактики-хозяина.

Для астрономов важно наблюдать подобные явления, что позволяет выяснить механизм взаимодействия СЧД и приютившей её галактики и, в конечном итоге, больше узнать об эволюции этих объектов и Вселенной. Галактика Markarian 817 на удалении 430 млн световых лет от нас с СЧД массой 81 млн солнечных явно выделилась на фоне всех остальных событий такого рода.

Об активности чёрной дыры в её центре отчётливо должно было сигнализировать рентгеновское излучение, испускаемое перегретым веществом в аккреционном диске. Однако регистрируемое рентгеновским телескопом ESA XMM-Newton излучение от Mrk 817 было более чем умеренным. Контрольная проверка с помощью другой рентгеновской установки — NuSTAR NASA — подтвердило верность полученных данных. Как позже оказалось, ветер от чёрной дыры блокировал рентгеновское излучение, и по факту оно было достаточно сильным.

Анализ данных показал, что активность наблюдалась по обширному пространству аккреционного диска, что привело к образованию, как минимум трёх отдельных потоков ветра из заряжённых частиц, каждый из которых развил скорость до нескольких процентов от скорости света в вакууме. Это продолжалось около года и особым образом дало понять, как чёрные дыры и галактики могут влиять друг на друга.

«Очень редко можно наблюдать сверхбыстрые ветры, и еще реже обнаруживать ветры, энергии которых достаточно, чтобы изменить характер галактики-хозяина. Тот факт, что Markarian 817 создавал эти ветры около года, не находясь в особо активном состоянии, предполагает, что чёрные дыры могут изменять форму своих галактик-хозяев гораздо сильнее, чем считалось ранее», — сообщили авторы исследования в статье, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters.

Практически все сто с небольшим известных науке случаев приливного разрушения звёзд чёрными дырами зафиксированы в галактиках с недавно закончившимися процессами звездообразования. В галактиках других типов эти процессы не встречаются, но, как показало новое исследование, мы просто не умели находить такие события. Астрономы из США показали пример, как случаи «жестокой расправы» чёрных дыр со звёздами обнаруживать повсеместно.

Приливное разрушение звезды чёрной дырой в представлении художника. Источник изображения: ESO/M. Kornmesser

Когда звезда оказывается в опасной близости от чёрной дыры, она теряет большую часть своего вещества в процессе так называемого приливного разрушения. Вещество звезды образует диск вокруг чёрной дыры и запускает процесс аккреции вещества — его падение на чёрную дыру.

Гравитация, трение и нагрев вещества вызывают выбросы энергии как от внутренней стороны аккреционного диска, так и с полюсов чёрной дыры, куда вещество из диска забрасывается мощными магнитными полями этого объекта. Эти выбросы энергии мы регистрируем в основном в оптическом и рентгеновском диапазонах.

Астрономы из Массачусетского технологического института предложили искать события приливного разрушения звёзд чёрными дырами в инфракрасном диапазоне. Официальное сообщение о первом открытии такого события в инфракрасном спектре поступило в апреле 2023 года. Метод был признан рабочим и взят на вооружение. И это привело к лавине открытий.

Источник изображения: Zwicky Transient Facility/R.Hurt (Caltech/IPAC)

Поиск данных в наблюдениях инфракрасного телескопа NASA NEOWISE и последующий анализ кандидатов с помощью данных ряда наземных телескопов позволил обнаружить 18 ранее неизвестных событий приливного разрушения звёзд чёрными дырами. Шесть из них были позже отброшены, поскольку были связаны с активностью чёрных дыр в центрах галактик. Однако 12 событий были идентифицированы с высокой достоверностью, и все они были открыты впервые.

Более того, все 12 новых событий приливного разрушения звёзд, зафиксированных в данных инфракрасных наблюдений, выявлены там, где раньше их не находили — в сильно запылённых галактиках. Похоже, раньше мы просто не могли уловить такие явления, поскольку пыль блокирует оптический и рентгеновский диапазоны. В инфракрасном же диапазоне никто до этого не искал подобные явления.

Галактики с кандидатами в события приливного разрушения звёзд в исследовании. Источник изображения: The Astrophysical Journal, 2024

По всему получается, что приливные разрушения звёзд могут происходить фактически в галактиках любых типов и на любых стадиях их развития. Во-первых, это позволяет забыть о проблеме несоответствия количества этих событий в теории и в процессе наблюдения (их наблюдалось меньше, чем предсказано, чему теперь нашли объяснение). Во-вторых, теперь у учёных появится больше данных для всестороннего изучения физики приливного разрушения звёзд, что обогатит науку новыми знаниями о процессах во Вселенной.

В соседней с нами галактике Большое Магелланово Облако есть места, где звездообразование идёт с колоссальной скоростью, которая могла повсеместно наблюдаться вскоре после рождения Вселенной. Учёные получили возможность наблюдать фактически повторение древнего явления буквально вблизи нашего галактического дома — Млечного Пути. Но без космической обсерватории «Джеймс Уэбб» такое было бы невозможно. Только она может видеть сквозь облака пыли и газа.

Туманность N79. Лучи — это артефакты от главного зеркала телескопа. (нажмите, чтобы увеличить). Источник изображения: NASA

Астрономы направили зеркало «Уэбба» на массивный звездообразующий комплекс N79 в галактике Большое Магелланово Облако. Благодаря наблюдению с помощью четырёх фильтров в среднем инфракрасном диапазоне с отбором длин волн 7,7 мкм (на изображении выделены синим цветом), 10 мкм (голубым), 15 мкм (жёлтым) и 21 мкм (красным) удалось получить снимок значительной глубины. «Уэбб» смог различить тонкие структуры за плотным слоем облаков из пыли и газа, которые предстали прозрачными или полупрозрачными в инфракрасном диапазоне.

В нашей галактике подобных масштабных образований нет, да и химический состав межзвёздного вещества совсем другой. Поэтому звездообразование совершенно скудное и не дающее полноты данных для изучения эволюции звёзд. Комплексы звездообразования подобные показанному на изображении N79 имеют совершенно другой химический состав, который почти идентичен тому, каким обладали такие области примерно через один млрд лет после Большого взрыва. «Уэбб» может заглянуть в те времена, но подробности на таком расстоянии разглядеть он не поможет. Другое дело туманность N79. До неё всего-то около 160 тыс. световых лет.

В богатой ионизированным межзвездным атомарным водородом туманности N79 так много протозвёзд, протозвёздных и протопланетных дисков, звёзд на ранней стадии эволюции разной степени зрелости, что мы можем изучать эволюцию звёзд как под микроскопом для массы сред, состояний и условий. Потом учёные сравнят полученные в N79 данные и данные из ранней Вселенной. Это поможет нам лучше понять процессы при её зарождении и лучше понять всё, что происходит во Вселенной.

Работа с докладом об открытии самой древней чёрной дыры во Вселенной прошла рецензирование и была опубликована в журнале Nature. Благодаря космической обсерватории им. Джеймса Уэбба в далёкой и древней галактике GN-z11 удалось обнаружить центральную чёрную дыру рекордной для тех времён массы. Остаётся гадать, как и почему это произошло и, похоже, для этого придётся изменить ряд космологических теорий.

Галактика GN-z11 в представлении художника. Источник изображения: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Галактика GN-z11 была обнаружена ещё в наблюдениях орбитального телескопа «Хаббл» в 2016 году. Этот объект находится от нас на удалении 13,4 млрд световых лет, то есть существовал во времена, отстоящие от Большого взрыва всего на 440 млн лет. Запуск инфракрасной обсерватории «Джеймс Уэбб» обещал множество открытий в ранней Вселенной, ведь свет из тех времён настолько растягивается в процессе движения фотонов через бездну времени и пространства, что банально уходит из видимого диапазона в инфракрасный.

Спектральный анализ света от GN-z11 показал присутствие в нём сверхразогретых ионов углерода и неона. Это указывало на признаки аккреции — обычного разогрева вещества перед падением на чёрную дыру. Эмиссия в линиях спектра была настолько интенсивной, что чёрная дыра своим излучением буквально затмевала галактику-хозяина. И немудрено, хотя галактика GN-z11 была в 100 раз меньше Млечного Пути, чёрная дыра в её центре потянула на 1,6 млн солнечных масс, тогда как чёрная дыра в центре нашей галактики имеет 4 млн солнечных масс.

Теперь, когда учёные убедились в существовании чёрной дыры подобной невообразимой для тех времён массы, придётся переписывать модели и космологические теории эволюции этих объектов и самой Вселенной. Похоже, «Уэбб» на этом не остановится, что позволит собрать достаточно материала для создания новых моделей появления и роста чёрных дыр и описания процессов в ранней Вселенной.

Галактика GN-z11 в данных телескопа «Хаббл», полученных в 2016 году. Источник изображения: NASA, ESA

Например, если опираться на современные теории, чёрная дыра в центре GN-z11 должна была питаться веществом в пять раз быстрее, чем мы считали. В противном случае она не набрала бы детектируемую массу к 440 млн лет после Большого взрыва. Также она должна была зародиться не в результате коллапса гигантской звезды, а непосредственно из коллапса межзвёздного газа, возникшего после рождения Вселенной. Будем ожидать, что собранного «Уэббом» материала хватит для составления новых космологических гипотез, которые затем превратятся в стройные теории.

Группа астрономов из Чикагского университета обнаружила в нашей галактике следы сверхновой, взорвавшейся с нарушением известных законов физики. Это была древняя звезда, родившаяся на заре времён. По всем правилам она должна была закончить жизнь чёрной дырой, но вместо этого её разметало взрывом сверхновой по Вселенной.

Взрыв звезды Barbenheimer в представлении художника. Источник изображения: University of Chicago/SDSS-V/Melissa Weiss

Учёные назвали неизвестную звезду «Барбенгеймер» (Barbenheimer), увековечив тем самым популярный мем. Как невозможно сочетать рассказанные в фильмах «Барби» и «Оппенгеймер» истории, так и звезда Barbenheimer состоит из сплошных невозможных состояний.

Следует подчеркнуть, что Barbenheimer взорвалась достаточно давно. О её существовании и последствиях жизни на завершающем этапе учёные узнали по косвенным наблюдениям и благодаря моделированию. Так опытные сыщики узнают об особенностях преступления по оставленным на месте происшествия уликам. Останки Barbenheimer были обнаружены в спектре звезды J0931 + 0038. Это красный гигант сравнительно небольшой массы, который обнаружился в гало нашей галактики (не в плоскости Млечного Пути, а гораздо выше).

Химический состав J0931 + 0038 оказался настолько странным, что учёным пришлось моделировать условия её образования. Наиболее вероятной оказалась ситуация, когда звезда J0931 + 0038 образовалась из облака межзвёздного газа с неожиданным составом химических элементов. Расчёты показали, что прародительницей J0931 + 0038 должна была быть гигантская древняя звезда с массой от 50 до 80 солнечных масс. Парадокс в том, что звёзды подобной массы коллапсируют в чёрные дыры, а не разлетаются облаком синтезированных в их недрах веществ по окрестностям.

Если бы «Барбенгеймер» существовала, практически всё синтезированное в ней вещество должно было сжаться до возникновения чёрной дыры. Однако она стала настоящей сверхновой, сбросив оболочку, ставшей со временем колыбелью для рождения звезды J0931 + 0038. Отдельные факты наблюдаемого явления учёные ещё могут как-то объяснить, но всё вместе представляет загадку, которую ещё предстоит отгадать.

Группа астрофизиков из Национальной радиоастрономической обсерватории Грин-Бэнк случайно обнаружила нечто необычное — спиральную галактику, в которой не обнаружилось ни одной звезды. Это может быть первым открытием первичной галактики во Вселенной — облака газа, неизменного с начала времён нашей Вселенной.

Красным обозначена удаляющаяся от нас область газа, синим — двигающаяся к нам. Источник изображения: STScI/NSF/GBO/P.Vosteen

Никто специально не собирался смотреть на тот участок неба, куда случайно был направлен радиотелескоп Грин-Бэнк. Планировалось совместное наблюдение совсем другого участка неба в паре с французским радиотелескопом Nançay. Обе группы работали по программе наблюдения галактик низкой поверхностной яркости (LSB galaxy, low-surface-brightness galaxy). Это обычно карликовые галактики с редкими звёздами. Такие объекты на 95 % состоят из тёмной материи и межзвёздного газа в них намного больше, чем видимых звёзд. Тем самым радиотелескоп был готов улавливать данные о межзвёздном газе в наблюдаемой точке, но произошло это как выстрел наугад.

Полученные данные ошеломили учёных. Они увидели объект, получивший индекс J0613+52, размерами и формами напоминающий классическую спиральную галактику как наш Млечный Путь или другие. Однако в нём не было обнаружено ни одной звезды. Облако газа вело себя как галактика и вращалось вокруг своего центра, что показало измерение доплеровского смещения. Одна его область двигалась в нашу сторону, другая — двигалась прочь от нас.

Объект вёл себя так, как если бы из Млечного Пути вдруг пропали все звёзды. Возможно, плотность газа в галактике J0613+52 оказалась недостаточной для запуска процессов звездообразования, а внешних провоцирующих этот процесс событий не произошло. Учёные не исключают, что они просто не увидели звёзд в J0613+52, но оставляют за собой право надеяться, что это может быть первое открытие в нашей части Вселенной первичной галактики, такой, какой она была 13,8 млрд лет назад.

Дальнейшее наблюдение за J0613+52 может быть сопряжено с трудностями, поскольку она видна только в радиоволновом диапазоне. Но это же заставляет задуматься о поиске похожих объектов на других участках неба с помощью радиотелескопов. Учёные нашли нечто потенциально удивительное и теперь не упустят возможности разузнать о нём больше.

Новое исследование несостоявшихся звёзд — коричневых карликов — позволило впервые обнаружить признаки невиданного ранее феномена. На одном из объектов проявились признаки полярного сияния, что невозможно было предположить даже в принципе. На соседних с звёздами планетах сияния ионосферы — это обычное явление. Но чтобы оно возникло без постороннего воздействия — с таким учёные ещё не встречались.

Полярное сияние над коричневым карликом в представлении художника. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

Об открытии сообщила команда учёных во главе с астрономом Американского музея естественной истории Джеки Фарти (Jackie Faherty). С помощью космической обсерватории «Джеймс Уэбб» учёные исследовали 12 коричневых карликов. Среди них были объекты W1935 и W2220 — это два очень похожих коричневых карлика, которые оказались близкими клонами друг друга. Они были идентичны по температуре и яркости, а также по химическому составу, включая содержание воды, аммиака, монооксида углерода (угарный газ) и двуокиси углерода (углекислый газ). Но было и отличие: в инфракрасном диапазоне метан в составе W1935 излучал свет, а W2220 — поглощал.

Изучение газовых гигантов в нашей Солнечной системе показало, что свечение метана в полярных областях сопровождается полярными сияниями. Но на планеты внутри системы воздействует излучение центральной звезды. Энергичные частицы покидают звезду и попадают в магнитные поля планет, а те отводят их в полярные области, где происходит взаимодействие с атомами ионосферы, которое сопровождается разогревом верхних слоёв и, как проявление всего этого, полярными сияниями.

«Уэбб» засёк эмиссию метана в атмосфере коричневого карлика, что указывает на возможное полярное сияние

Однако коричневый карлик — это звезда, которой не хватило массы для запуска термоядерной реакции. Он сам по себе в системе и ничто не должно влиять на его атмосферу и ионосферу. Там не должно быть признаков полярных сияний, что подтверждает наблюдение объекта W2220. Напротив, ионосфера W1935 оказалась разогретой без видимой причины, что заставило заподозрить на нём полярные сияния.

Какие процессы заставили метан нагреться в верхних слоях коричневого карлика W1935, учёные не знают, но намерены выяснить это в будущих наблюдениях за такими объектами. Возможно феномен полярных сияний имеет также иную природу, чем ту, которую мы наблюдаем в нашей системе. Обсерватория «Джеймс Уэбб» предоставляет возможность таких наблюдений, каждый раз доказывая, что из затраченных на её запуск $10 млрд каждый цент окупится сторицей.

Предсказанный в 1931 году Полем Дираком магнитный монополь — гипотетическая частица с одним единственным магнитным полем — до сих пор не получил наблюдательного подтверждения. Столетие поиска магнитного монополя не дали никакого результата. В то же время подтверждение его существования открыло бы дорогу к проработке «теории всего» — единой физико-математической теории функционирования нашей Вселенной.

Источник изображения: Anthony Tan / Michael Hoegen

«Если бы монополи действительно существовали, и мы смогли бы их изолировать, это было бы похоже на поиск недостающего фрагмента головоломки, который считался утерянным», — пояснил физик Мете Ататюр (Mete Atatüre) из Кембриджского университета, один из авторов новой работы по поискам признаков магнитного монополя.

В этой работе, опубликованной в журнале Nature Materials, международная группа исследователей во главе с учёными из Кембриджского университета в Великобритании наблюдала монопольное поведение магнитных полей при прохождении через гематит, материал, похожий на обычную ржавчину.

Сразу уточним, что это не наблюдение за поведением гипотетической частицы. Это попытка оценить закономерности, которые можно было бы выявить в процессе наблюдения настоящего магнитного монополя. На практике учёные обнаружили и изучили связь между спиновыми паттернами в антиферромагнитных материалах под воздействием точечного приложения магнитного поля, которое имитировало магнитный заряд монополя.

«Проблемой всегда было прямое отображение этих структур в антиферромагнетиках из-за их более слабого магнитного притяжения, но теперь мы можем сделать это с помощью забавного сочетания алмазов и ржавчины», — сказал физик Энтони Тан (Anthony Tan) из Кембриджского университета.

Источник изображения: Nature Materials, 2023

Использовать слово ржавчина в сочетании с алмазами учёные считают забавным. Но это лишь гематит — широко распространённый минерал железа Fe₂O₃, обычная железная руда. Это антиферромагнетик с нейтральным магнитным полем в обычном состоянии. Упорядоченная и нейтральная структура магнитных доменов в этом материале легко локализуется на очень и очень маленьких масштабах. Для вывода её из равновесия использовалась тончайшая алмазная игла, точнее — алмазная квантовая магнитометрия. С помощью детектирования ориентации спина электронов в игле можно измерять слабые магнитные поля в образце не нарушая их.

По сути, учёные создали имитацию воздействия гипотетической частицы на магнитную решётку образца и смогли увидеть это воздействие прибором. Это открывает путь к новым методам поиска неуловимой частицы, обнаружение которой невозможно переоценить для современной физики.

В дальнейшем результаты этого исследования могут быть использованы для разработки компьютерных технологий, которые будут быстрее, чем те, что мы имеем сегодня, и более бережны к окружающей среде (за счет более низкого энергопотребления), за что нужно будет благодарить особые свойства антиферромагнитных материалов.

«Мы показали, как алмазная квантовая магнитометрия может быть использована для разгадки таинственного проявления магнетизма в двумерных квантовых материалах, что может открыть новые области исследований в этой сфере», — пояснил Тан.

Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба совершила одно из самых значительных разоблачений в астрономии последних лет. Обнаруженная в 2013 году крупнейшая древняя галактика HFLS3 возрастом всего 880 млн лет оказалась не тем, о чём заявили учёные. Как показало наблюдение с помощью «Уэбба», HFLS3 — это столкновение шести молодых галактик на заре времён.

«Галактика» HFLS3 в представлении художника. Источник изображения: ESA/C. Carreau

Ранняя Вселенная была временем бурных событий. В первые 2 млрд лет после Большого взрыва — примерно 13,8 млрд лет назад — звездообразование заметно активизировалось, и галактики вспыхивали в темноте, сталкивались и росли. Но попробуйте разглядеть детали из нашего времени! Немудрено, что несовершенство научных приборов не всегда позволяет понять, что происходило в конкретных областях пространства в определённое время.

Открытие «галактики» HFLS3 в 2013 году поразило учёных. Объект был обнаружен в данных космического телескопа «Гершель». Он находился в самом начале рождения Вселенной в эпоху реионизации, порождая звёзды с поразительной скоростью — около 3000 масс Солнца в год. Для сравнения, наша галактика Млечный Путь производит звёзды в темпе до 8 масс Солнца в год. И это при том, что HFLS3 и Млечный Путь имели примерно одинаковую массу.

Происходящее в HFLS3 невозможно было объяснить с помощью современных теорий в космологии. Последующие наблюдения «Гершеля» и привлечение к этому другого космического телескопа — «Хаббла» позволили заподозрить, что HFLS3 — это не то, чем кажется. Больше ясности внёс телескоп «Джеймс Уэбб», когда наблюдал этот участок неба осенью 2022 года.

Команда астрофизиков под руководством учёного Гарета Джонса (Gareth Jones) из Оксфордского университета проанализировала данные по наблюдению HFLS3 и подготовила научную работу, которая ещё не прошла рецензирование для печати в журнале Astronomy & Astrophysics и доступна на сайте arXiv.

Как на самом деле выглядит «галактика» HFLS3 в данных «Уэбба». изображения: Astronomy & Astrophysics.

Учёные обнаружили, что HFLS3 состоит из трёх пар маленьких галактик, вращающихся в своеобразном космическом танце, который ведёт их к неизбежному столкновению в пространстве протяжённостью всего 36 000 световых лет. Это столкновение должно было произойти в течение миллиарда лет после наблюдения, что может считаться довольно коротким промежутком времени для такого грандиозного явления, как столкновение галактик.

Галактики в парах настолько близки друг к другу, что их гравитационное взаимодействие перемешивает их звездообразующий материал, заставляя его вспыхивать при звездообразовании, что также объясняет чрезвычайно высокую скорость, с которой рождаются новые звёзды. И это открытие предлагает захватывающий кадр того, как галактики взаимодействовали и росли в период, известный как Космический рассвет.

«HFLS3, вероятно, не является экстремальной вспышкой звездообразования, а вместо этого представляет собой одну из самых плотных групп взаимодействующих звездообразующих галактик за первый миллиард лет существования Вселенной. Недавние и продолжающиеся наблюдения с высоким разрешением ... помогут лучше охарактеризовать эту уникальную область», — поделились учёные своим анализом в статье.

Иногда о крайне редком событии говорят, как о втором попадании снаряда в одну и ту же воронку. Примерно так можно описать сделанное телескопом «Джеймс Уэбб» открытие. Он сумел отыскать в одной и той же гравитационно линзированной галактике вторую сверхновую. Наблюдение за обеими позволит уточнить постоянную Хаббла и, возможно, станет ещё одним шагом в сторону разрешения величайшей загадки в астрофизике.

Слева — три изображения сверхновой «Реквием», справа — два изображения сверхновой «На бис!». Источник изображения: NASA

В ноябре 2023 года космический телескоп NASA им. Джеймса Уэбба наблюдал массивное скопление галактик под названием MACS J0138.0-2155. Благодаря эффекту гравитационного линзирования, предсказанному ещё Альбертом Эйнштейном, далекая галактика под названием MRG-M0138 позади скопления предстала на изображении сильно деформированной из-за мощной гравитации промежуточного скопления галактик.

Помимо искажения и увеличения далекой галактики, эффект гравитационного линзирования «размножил» изображения MACS J0138, позволив получить пять различных изображений галактики. Деформация пространства-времени вокруг скопления MACS J0138.0-2155 далеко не идеальной формы и свет от фоновой галактики шёл по пяти различным маршрутам с разной длительностью. Поскольку линзированная галактика отстоит на 10 млрд световых лет, запаздывание света в ряде случаев было значительным.

Но самое замечательное, что астрономы обнаружили во время наблюдения вспышку сверхновой! Более того, это была сверхновая типа Iа. А сверхновые этого типа являются в астрофизике «стандартными свечами». Это термоядерные взрывы белых карликов. Эти процессы хорошо описаны и раз за разом повторяются с очень и очень высокой точностью. На ядро белого карлика падает водород до начала запуска ядерной реакции синтеза. Энергия вспышки известна и позволяет оценить расстояние до сверхновой.

Удивительным стало то, что за семь лет до этого в галактике MACS J0138 телескопом «Хаббл» точно также была обнаружена другая сверхновая типа Iа. Тем самым «Уэбб» впервые наблюдал вторую линзированную сверхновую в одной и той же галактике. И тоже от «стандартной свечи»! И если наблюдение «Хаббла» было неполным и не позволило собрать данные для определения постоянной Хаббла, то теперь астрономы сделали всё возможное, чтобы собрать как можно больше информации о событии. Всего таких событий (линзированных сверхновых типа Ia) зарегистрировано около дюжины, и новое открытие станет ценным вкладом в наблюдения о расширяющейся Вселенной.

Предыдущая сверхновая получила название «Реквием». Она отобразилась на трёх участках неба и появится в гравитационной линзе ещё два раза: в 2037 и 2041 годах. Вторую обнаруженную сверхновую назвали «На бис!» (Encore). Ещё раз свет от неё придёт в 2035 году.

«Теперь мы обнаружили гравитационной линзой вторую сверхновую в той же галактике, что и "Реквием", которую мы назвали сверхновая "На бис!". Она была обнаружена по счастливой случайности, и сейчас мы активно следим за текущей сверхновой по специальной программе наблюдений "Уэбба". Используя эти изображения "Уэбба" на основе многократного изображения сверхновой, мы измерим и подтвердим постоянную Хаббла. Подтверждено, что Encore является стандартной свечой или сверхновой типа Ia, что делает Encore и Requiem, безусловно, самой удаленной парой "братьев и сестёр" сверхновых стандартной свечи, когда-либо обнаруженных», — сообщают учёные.

Один из постулатов квантовой физики говорит, что материя может возникать с помощью одного только света (фотонов). На практике проверка этого требует колоссальных энергий и ещё ни разу не проверялось в лаборатории. Группа учёных из США и Японии нашла условия, при которых такой эксперимент становится возможным с использованием современных лазеров.

Источник изображения: SciTechDaily.com

Следует сказать, что косвенно синтез материи из энергии света был реализован в лаборатории и не один раз за последние два–три года. Учёные разгоняли ионы золота и других тяжёлых металлов до релятивистских скоростей. На такой скорости ионы были окружены облаками фотонов, что вело к столкновениям между фотонами при сближении ионов металлов. В этих столкновениях рождались частицы и античастицы (обычно электроны и позитроны). Иначе говоря, фотон-фотонные взаимодействия порождали материю, что прекрасно регистрировалось научными приборами.

Повторить подобный эксперимент с одними только лазерными лучами — воспроизвести чистый эксперимент перехода энергии в материю — это подняться на другой уровень науки. Как это сделать, рассказала группа исследователей из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они использовали моделирование, чтобы продемонстрировать, как можно экспериментально производить материю исключительно из света, что в будущем может помочь проверить давние теории об эволюции Вселенной.

«Наше моделирование демонстрирует, что при взаимодействии с интенсивными электромагнитными полями лазера плотная плазма может самоорганизовываться, образуя фотон-фотонный коллайдер, — объяснил доктор Сугимото (Sugimoto), ведущий автор исследования, ранее опубликованного в журнале Physical Review Letters. — Этот коллайдер содержит плотную популяцию гамма-лучей, в десять раз более плотных, чем плотность электронов в плазме, и энергия которых в миллион раз превышает энергию фотонов в лазере».

При столкновениях фотона с фотоном в коллайдере образуются электрон–позитронные пары, а позитроны ускоряются электрическим полем плазмы, создаваемым лазером. В результате получается позитронный пучок.

«Это первое моделирование ускорения позитронов в рамках линейного процесса Брейта–Уилера в релятивистских условиях, — сказал профессор Арефьев, соавтор исследования. — Мы считаем, что наше предложение экспериментально осуществимо, и с нетерпением ждем реализации в реальном мире». Доктор Вячеслав Лукин, директор программ Национального научного фонда США, который поддержал работу, добавил: «Это исследование показывает потенциальный способ исследовать тайны Вселенной в лабораторных условиях. Будущие возможности сегодняшних и будущих мощных лазерных установок стали еще более интригующими».

Физика процесса. Источник изображения: Yasuhiko Sentoku

Суть процесса в том, что облучаемая доступными сегодня лазерами плазма в состоянии близком к критическому, способна самоорганизоваться и не только произвести позитроны (и электроны), но также ускорить их до ультрарелятивистских энергий. Лазерный импульс накапливает электроны на своем переднем крае, создавая сильное продольное электрическое поле плазмы. Поле создает движущийся гамма-коллайдер (своеобразный фронт волны, где происходят столкновения гамма-квантов), который генерирует позитроны с помощью линейного процесса Брейта-Уилера — аннигиляции двух гамма-квантов в электрон-позитронную пару. В то же время ускорителем для позитронов служит плазменное поле, а не лазер, как показано на иллюстрации выше.

Именно открытие позитронного ускорения обещает возможность создать установку для первого в истории преобразования чистой энергии в материю. Для этого будет достаточно использовать доступные лазеры с интенсивностью 10²² Вт/см². Моделирование показало, что позитронный пучок приобретёт энергию уровня гигаэлектрон-вольт с углом расхождения около 10 ° с зарядом 0,1 pC (10⁶ электронов в импульсе). Ранее считавшееся фантастикой станет реальностью, но совсем не так, как в кино. Репликаторы из этого вряд ли получатся. Но подтверждение Стандартной модели и, не исключено, новая физика — это достойная награда за открытие.