Телескоп «Джеймс Уэбб» раскрыл тайны в скоплении галактик «Эль-Гордо» благодаря гравитационному линзированию

Телескоп «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope) предоставил удивительный новый взгляд на гравитационное искривление галактик в скоплении «Эль-Гордо» (El Gordo). Этот новаторский телескоп, работающий в инфракрасном диапазоне, обнаружил гравитационные искажения, красную гигантскую звезду и множество других космических объектов, которые ранее были недоступны для наблюдения.

Источник изображений: NASA, ESA, CSA

На расстоянии около 9,7 млрд световых лет от Земли расположено очень крупное скопление галактик с массой, эквивалентной примерно 3 млн миллиардов Солнц. Это космическое скопление прозвали El Gordo, что в переводе с испанского означает «Толстяк».

Один из объектов этого скопления известен как «El Anzuelo», или «Рыболовный крючок». Эта галактика, расположенная на расстоянии 10,6 млрд световых лет от нас, хорошо видна в правой верхней части снимка в виде ярко-красной дуги. Чтобы представить себе, насколько поразительна эта новая фотография, можно сказать, что вы видите галактику «Рыболовный крючок» такой, какой она была 10,6 млрд лет назад. Именно столько времени потребовалось, чтобы свет с этого момента жизни галактики достиг телескопа.

На снимке камеры NIRCam наиболее заметными являются две галактики: «Тонкая» (A), расположенная чуть ниже и левее центра изображения, и «Рыболовный крючок» (B) — красное пятно в правом верхнем углу. Обе галактики являются линзированными фоновыми галактиками.

«Мы смогли тщательно изучить пылевую пелену, окутывающую центр галактики, где активно формируются звезды. С помощью телескопа „Джеймс Уэбб“ мы можем с лёгкостью проникнуть сквозь эту плотную завесу пыли, что позволит нам воочию увидеть процесс сборки галактик изнутри», — сказал Патрик Каминески (Patrick Kamieneski) из Университета штата Аризона (ASU), ведущий автор одной из нескольких работ, посвящённых этим наблюдениям.

Но помимо того, что телескоп «Джеймс Уэбб» способен проникать сквозь пылевую завесу благодаря своим камерам ближнего и среднего инфракрасного диапазона (NIRCam и MIRI), новый объектив телескопа, наведённый на «Толстяка», имеет огромное значение, позволяя чётко зафиксировать явление, называемое гравитационным линзированием.

Гравитационное линзирование — это понятие, связанное с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна (Albert Einstein). В соответствии с этой теорией пространство и время представляются сплетёнными вместе, как осязаемая ткань, которая может деформироваться и пульсировать в зависимости от того, какие массы в ней присутствуют. Чёрные дыры сильно деформируют эту ткань, звезды влияют на неё тоже довольно сильно, Земля деформирует её в некоторой степени, и даже мы с вами деформируем её в невероятно крошечной, неразличимой степени.

На снимке камеры NIRCam видны сотни галактик, некоторые из них никогда ранее не наблюдались с такой степенью детализации. Скопление «Толстяк» действует как гравитационная линза, искажая и увеличивая свет от далёких фоновых галактик.

Однако для данного снимка телескопа «Джеймс Уэбб» важно то, что общая теория относительности также предсказывает, что эти искривления ткани пространства-времени влияют на то, как свет перемещается по Вселенной. Рискуя упростить, можно сказать, что эти искривления заставляют свет изгибаться и закручиваться при движении через пространство — но это хорошо для астрономов.

Если учёные смогут сфокусировать свои обсерватории (например, телескоп «Джеймс Уэбб») на суперискривлённых областях (например, на большом скоплении галактик), они смогут поймать часть этого искривлённого света. И в зависимости от того, откуда исходит свет, эти искривления могут создавать своего рода эффект увеличения источника. Этот эффект называется гравитационным линзированием. «Этот эффект линзирования открывает уникальное окно в далёкую Вселенную», — заявила Бренда Фрай (Brenda Frye) из ASU, соруководитель направления PEARLS-Clusters и ведущий автор другой статьи.

Возвращаясь к изображению галактики «Рыболовный крючок», можно сказать, что основная причина, по которой астрономы вообще могут её видеть, несмотря на то, что она находится так далеко, заключается не в чём ином, как в гравитационном линзировании. Благодаря этой эффектной концепции учёные поняли, что далёкая галактика имеет форму диска диаметром около 26 000 световых лет (четвёртая часть размера Млечного Пути).

Галактика «Рыболовный крючок» — снимок камеры NIRCam

Кроме того, красноватый оттенок, который вы видите у этой галактики, связан с другим явлением космического света. В принципе, по мере удаления объектов от нашей точки обзора на Земле — в связи с расширением Вселенной — излучаемые ими световые волны растягиваются, как неразрывные резиновые ленты. При этом волны кажутся всё краснее и краснее из-за явления, известного как красное смещение. Поскольку эта галактика выглядит очень красной, она находится очень далеко.

Уйдя от крупных галактик, на портрете «Толстяка», полученном телескопом «Джеймс Уэбб», также удалось разглядеть одиночную красную гигантскую звезду. Учёные дали ей прозвище Quyllur, что в переводе с языка кечуа, на котором говорят коренные жители перуанского нагорья, означает просто «Звезда».

Удивительно то, что это первая отдельная красная звезда-гигант, наблюдаемая телескопом на расстоянии более 1 млрд световых лет от Земли. На самом деле «Звезда» находится на расстоянии около 11 млрд световых лет от нас, вблизи галактики, известной как La Flaca, или «Тонкая». Галактика «Тонкая» видна как линия, похожая на карандаш, в центре изображения.

Галактика «Тонкая» — снимок камеры NIRCam

«Увидеть линзованные красные гигантские звезды практически невозможно, если только не выходить в инфракрасный диапазон. Это первая звезда, которую мы обнаружили с помощью телескопа „Джеймс Уэбб“, но мы ожидаем, что в будущем их будет гораздо больше», — сказал Хосе Диего (Jose Diego) из Института физики Кантабрии (IFCA) в Испании, ведущий автор другой работы, посвящённой скоплению «Толстяк».

Фрай и её коллеги также отмечают пять линзированных галактик, которые, по-видимому, являются частью детского скопления, находящегося на расстоянии около 12,1 млрд световых лет от Земли — возможно, в нём насчитывается в общей сложности 17 галактик. Кроме того, на расстоянии около 7,2 млрд световых лет от Земли находятся ультрадиффузные галактики, которые похожи на обычные галактики, но звезды в них расположены гораздо более равномерно.

«Мы изучили, отличаются ли свойства этих галактик от свойств ультрадиффузных галактик, которые мы наблюдаем в локальной Вселенной, и действительно увидели некоторые отличия. В частности, они голубее, моложе, более протяжённые и более равномерно распределены по скоплению. Это говорит о том, что жизнь в условиях скопления в течение последних 6 млрд лет оказала существенное влияние на эти галактики», — рассказал Тимоти Карлетон (Timothy Carleton) из ASU, ведущий автор другой работы, посвящённой этим наблюдениям.

Открытия, сделанные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», открывают новые горизонты в понимании Вселенной. Гравитационное линзирование, предсказанное Эйнштейном, теперь наблюдается в действии, и это может подтвердить иные не менее важные догадки великого учёного. Открытие отдельной красной звезды-гиганта также является важным шагом в изучении далёких галактик. Эти открытия подчёркивают важность продолжения исследований и инноваций в области космической науки, и они могут пролить свет на то, как формируются и развиваются галактики.