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»

Обнаружить чёрные дыры — та ещё задача, ведь они буквально невидимы во всех диапазонах излучения. Но абсолютно неуловимыми оказались чёрные дыры промежуточной массы, превышающие массу Солнца в 10–10 000 раз. Меньше — пожалуйста, больше — сколько угодно. Но между крайними состояниями — пустыня. Но так было. Новая работа предполагает обнаружение наиболее вероятного кандидата в чёрные дыры промежуточной массы и даже недалеко от нас.

Источник изображения: ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)

Открытие сделали учёные, решившие изучить калибровочные данные космического телескопа «Хаббл». Более 20 лет телескоп калибровал свои приборы, делая снимок самого близкого к нам в нашей галактике шарового скопления Омега Центавра (NGC 5139). Это скопление удалено от Земли на 18 тыс. световых лет и содержит миллионы звёзд. За всё время набралось свыше 500 превосходных снимков этого объекта, что позволило отследить траектории движения множества его звёзд.

Анализ траекторий звёзд в центре скопления выявил аномалию для семи из них. Их скорости оказались слишком большими, чтобы оставаться в центре скопления. Что-то удерживало эти звёзды, и это что-то должно было быть довольно компактным. Моделирование показало, что наиболее вероятным кандидатом для обнаруженного явления может быть чёрная дыра массой около 8200 солнечных масс или больше. Не исключено, что там может быть компактная группа чёрных дыр меньшей массы. В любом случае для учёных появился шанс сделать долгожданное открытие чёрной дыры промежуточной массы.

Для науки пока большая загадка, как чёрные дыры проскакивают пустыню от объектов малой массы к сверхмассивным. Они ведь должны расти постепенно? Следовательно, во Вселенной должно быть неисчислимое количество чёрных дыр промежуточной массы, но их нет и это проблема.

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.

Чрезвычайно большой телескоп Европейской Южной обсерватории (ESO ELT), строящийся в чилийской пустыне Атакама, стал на шаг ближе к завершению. Немецкая компания SCHOTT успешно доставила для обработки заготовку для последнего из 949 сегментов, заказанных для основного зеркала телескопа. При диаметре более 39 метров это зеркало станет самым большим когда-либо изготовленным для телескопа.

Источник изображений: ESO

Чаша основного зеркала (M1) Чрезвычайно большого телескопа состоит из 798 шестиугольных сегментов, каждый толщиной около 5 см и шириной 1,5 м. Вместе они будут собирать столько света, что превысят возможности глаза человека в десятки миллионов раз. Для облегчения обслуживания и ремонта главного зеркала уже после его ввода в строй изготовлено дополнительно 133 сегмента. Сверх того, ESO закупила 18 запасных сегментов, в результате чего их общее количество достигло 949.

Оптическая система телескопа ELT будет состоять из пяти зеркал, где помимо главного зеркала M1 будет ещё четыре зеркала намного меньшего диаметра. Все зеркала уже отлиты и подготавливаются к работе.

Каждый сегмент главного зеркала отлит из уникального стеклокерамического материала ZERODUR компании SCHOTT. Обсерватория стала крупнейшим заказчиком на этот материал с низким коэффициентом теплового расширения, поскольку в пустыне на высокогорном плато, где будет работать телескоп, происходят сильные суточные колебания температуры окружающего воздуха. Прежде чем приступить к отливу и подготовке сегментов главного зеркала, компания SCHOTT провела множество экспериментов на месте, чтобы убедиться в правильности выбора материала и технологий его обработки. Всего было произведено свыше 230 т материала.

На предприятии SCHOTT заготовка проходит первичную подготовку — термообработку медленным охлаждением и первичное шлифование. Финальное шлифование сегментов и их порезка на шестиугольники из круглой заготовки производится во Франции компанией Safran Reosc. Точность шлифовки не допускает неровностей свыше 10 нм. Кроме этих компаний, в изготовлении сегментов гигантского зеркала участвуют также голландская компания VDL ETG Projects BV (производство рамы для крепления сегмента в составе чаши зеркала), немецко-французский консорциум FAMES (разработка и производство 4500 датчиков, для отслеживания положения каждого сегмента в зеркале), немецкая компания Physik Instrumente (разработка и производство 2500 приводов для выравнивания положения каждого сегмента с точностью в пределах нескольких нанометров), а также датская DSV, которая перевозит сегменты за 10 тыс. км в Чили.

Уже в Чили на производстве недалеко от стройплощадки ELT сегменты зеркала покрываются серебром и укрываются на хранение до начала сборки.

ELT в представлении художника

Строительство телескопа ELT стартовало в 2014 году. Предполагалось, что телескоп начнёт работу с 2024 года, но пандемия и другие непредвиденные обстоятельства затянули выполнение работ. Год назад в ESO сообщили, что телескоп и сопутствующее оборудование готовы на 50 %. Это позволяет рассчитывать, что телескоп ELT, равного которому на Земле ещё не было, начнёт научную работу в 2028 году.

В апреле 2024 года космическому телескопу NASA «Хаббл» исполнилось 34 года. Несмотря на почтенный возраст и периодические сбои этот инструмент исправно несёт службу, расширяя наши знания о Вселенной. Однако минувшей весной невозможность ремонта телескопа поставила его перед трудным выбором: сохранить производительность или продлить работу до 2035 года и дольше. В NASA выбрали второе. Сегодня «Хаббл» доказал правильность выбора.

Спиральная хлопьевидная галактика NGC 1546. Источник изображений: NASA

Для наведения на цели и для стабилизации телескопа во время снимков, а он должен держать цель до нескольких суток, космическая обсерватория «Хаббл» использовала от четырёх до шести гироскопов-маховиков. К 2008 году в работе остался один из четырёх ранее установленных гироскопов. В 2009 году команда астронавтов на корабле «Спейс шаттл» добралась до обсерватории и установила шесть новых гироскопов. До последних лет дожили только три из них и один из этой тройки начал отдавать ошибочные данные, что автоматически переводило обсерваторию в безопасный режим.

В NASA приняли решение оставить в работе только один гироскоп, а сбоящий и второй рабочий пока отключить, что создаёт резерв для продления работы обсерватории на годы — до 2035 года и дольше. Обратная сторона медали — это снижение производительности телескопа до 25 %. Это означает, что «Хаббл» не сможет фотографировать кометы и астероиды ближе орбиты Марса и будет нетороплив при переключении на новые цели. Это та вынужденная жертва, на которую пришлось пойти, чтобы увеличить шансы «Хаббл» дольше оставаться в строю.

Работа на одном гироскопе ничуть не ухудшила качество получаемых «Хабблом» изображений, что он доказал на практике. После возвращения к работе телескоп получил превосходный снимок спиральной галактики NGC 1546, удалённой от нас на 50 млн световых лет. Это так называемая хлопьевидная галактика, в структуре которой вместо чётко прослеживающихся рукавов наблюдаются обширные вспышки звездообразования — таких себе комков хлопьев, разбросанных по телу галактики. Они особенно хорошо видны на дальней стороне галактики, где подсвечены молодыми горячими голубыми звёздами.

«Новое изображение впечатляющей галактики, полученное "Хабблом", демонстрирует полный успех нашего нового, более стабильного режима наведения телескопа, — сказано в заявлении Дженнифер Уайзман (Jennifer Wiseman), старшего научного сотрудника проекта «Хаббл» в Центре космических полетов NASA в Мэриленде им. Годдарда. — Теперь у нас впереди много лет открытий, и мы будем рассматривать всё — от нашей Солнечной системы до экзопланет и далёких галактик. "Хаббл" играет важную роль в астрономическом инструментарии NASA».

Эпоха реионизации Вселенной была насыщена различными событиями в жизни первых галактик, включая их столкновения. До сих пор учёные обнаруживали отдельные галактики (квазары), но не их тесные пары во взаимодействии. Первым удивительное открытие сделал учёный из Японии, который в данных телескопа Subaru увидел признаки слияния двух древних галактик примерно через 900 млн лет после Большого взрыва.

Художественное представление столкновения двух квазаров. Источник изображения: International Gemini Observatory

«Существование сливающихся квазаров в эпоху реионизации ожидалось долгое время, — объяснил астроном Йошики Мацуока (Yoshiki Matsuoka) из Университета Эхимэ в Японии. — Теперь это впервые подтверждено». «Просматривая изображения кандидатов в квазары, я заметил два похожих и чрезвычайно красных источника рядом друг с другом, — сказал автор работы. — Открытие было чисто случайным».

Чтобы подтвердить открытие и выяснить детали события были проведены новые наблюдения с использованием телескопов Subaru, Gemini North, а также радиотелескопа ALMA. Данные с радиотелескопа проходят обработку и будут представлены в отдельной работе (они дадут характеристику пыли и газа вокруг сливающихся галактик). Данные с телескопов Subaru и Gemini North раскрыли суть явления и представлены в работе, принятой к публикации в апреле этого года.

Что было видно в телескоп «Субару». Источник изображения: NOIRLab/NSF/AURA/T.A. Rector, D. de Martin & M. Zamani

Выяснилось, что два объекта — квазары или активные ядра галактик — находились очень далеко от нас и в тесном взаимодействии друг с другом. Между квазарами было всего 40 тыс. световых лет. Их соединял газовый мост, доказывающий обмен веществом и работу процесса слияния. Значительная доля света от каждого квазара возникала от процесса звездообразования. В то же время в центре каждого из квазаров находилась колоссальная чёрная дыра, массой около 100 млн солнечных масс каждая . Для сравнения, чёрная дыра в центре нашей галактики имеет массу всего 4,3 млн солнечных масс. Обнаружение очередного древнего и супермассивного объекта — это снова удача и снова задача для теоретиков, слишком быстро и очень большие чёрные дыры стали обнаруживаться в ранней Вселенной.

Открытие японского учёного недолго оставалось единственным в своём роде. Через несколько недель появилась новая публикация, данные для которой собрал невообразимый «Джеймс Уэбб». С его помощью было открыто ещё более раннее слияние двух сверхмассивных чёрных дыр (квазаров) — всего через 740 млн лет после Большого взрыва.

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.

Среди 3000 открытых нейтронных звёзд нет ни одной, которая вращалась бы достаточно медленно. Обычный период вращения этих объектов составляет доли секунды. Поэтому удивлению астрофизиков не было границ, когда в данных радионаблюдения за южным небом обнаружились признаки нейтронной звезды с периодом обращения 54 минуты. Если данные подтвердятся, это заставит изменить наше представление о моделях поведения нейтронных звёзд.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Статья об исследовании вышла в сегодняшнем номере журнала Nature Astronomy. Открытие сделали астрофизики из Сиднейского университета и национального научного агентства Австралии (CSIRO), а также учёные из Манчестерского и Оксфордского университетов. Они изучали южное небо двумя новыми радиоинструментами — ASKAP и MeerKAT. Впоследствии в данных наблюдений обнаружился объект со всеми основными признаками нейтронной звезды, но его радиоизлучение имело период 54 мин, вместо свойственных этим объектам периодов масштаба секунд и долей секунды.

Период радиоимпульса нейтронной звезды соответствует одному обороту вокруг оси. Традиционно это очень и очень быстро вращающиеся объекты, которые возникают после взрыва сверхновых. Если массы ядра звезды после взрыва сверхновой не хватает на образование чёрной дыры, но она достаточно велика, появляется нейтронная звезда с невообразимо высокой плотностью с радиусом около 10 км и массой около 1,4 солнечных масс. До открытия «медленной» нейтронной звезды учёные выстроили модель, которая достаточно хорошо описывала их поведение и характеристики. Теперь в эти модели, вероятно, придётся вносить существенные коррективы.

Остаётся шанс, что учёные обнаружили не нейтронную звезду, а намагниченный белый карлик, хотя предварительные данные указывают на небольшую вероятность подобного события. Новые исследования загадочного объекта помогут пролить свет на это из ряда вон выходящее открытие.

Первый автор работы доктор Маниша Калеб (Manish Caleb) с факультета астрономии Университета Сиднея сказала: «Что интригует, так это то, что этот объект демонстрирует три различных состояния излучения, каждое со свойствами, полностью отличающимися от других. Радиотелескоп MeerKAT в Южной Африке сыграл решающую роль в разделении этих состояний. Если бы сигналы исходили не из одной и той же точки неба, мы бы не поверили, что это один и тот же объект, излучающий эти разные сигналы».

Учёные Университета Аризоны представили сделанные в январе этого года снимки Ио — ближайшей луны Юпитера и самого вулканически активного небесного тела Солнечной системы. Удивительно, но полученные с наземного телескопа изображения оказались более чёткими и подробными, чем снимки с того же зонда «Юнона», который сейчас летает вокруг Юпитера. Это показывает огромный потенциал нового инструмента.

Большой бинокулярный телескоп. Источник изображения: NASA

Речь идёт о приборе SHARK-VIS, который в дополнение к ранее установленному прибору SHARK-NIR был добавлен в систему наблюдений Большого бинокулярного телескопа (LBT). Оба прибора были разработаны в Итальянском национальном институте астрофизики при Римской астрономической обсерватории. Интеграция системы в телескоп была проведена в 2023 году, а в 2024 году проведены первые наблюдения. В сочетании с мощными возможностями LBT, который в дополнение к двум спаренным 8,4-метровым первичным зеркалам имеет адаптивную оптику с частотой подстройки 1000 раз в секунду, приборы SHARK позволили получать при наблюдениях с Земли снимки объектов Солнечной системы с беспрецедентным разрешением.

Для издания Geophysical Research Letters учёные сделали снимки спутника Юпитера Ио. Комбинированный снимок содержит данные в инфракрасном, красном и жёлтом диапазонах. Выбранные цветовые каналы позволяют рассмотреть магматические отложения красного и белого цветов вокруг предполагаемых вулканов на Ио. На представленном снимке, например, это красные и белые ореолы в нижней правой части Ио.

Ио, видимый в Большой бинокулярный телескоп

Прибор SHARK-NIR позволяет выявить области извержения вулканов на спутнике, но его разрешения недостаточно для идентификации самих вулканов и выявления последствий выхода магмы на поверхность. С этим помогает разобраться прибор SHARK-VIS, показывающий картинку в оптическом диапазоне. Его разрешения хватает для выявления деталей рельефа спутника длиною свыше 80 км.

Луна Юпитера Ио полна вулканами, которые, как считают учёные, извергаются в результате гравитационных воздействий на недра спутника со стороны самого Юпитера и его ближайших лун. Гравитация постоянно сжимает и растягивает Ио, создавая очаги тепла и постоянно разогревая его недра. Наблюдение за вулканической активностью спутника позволит создать представление о ранних этапах геологической эволюции Земли и других планет вплоть до планет из далёких миров.

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!

Астрофизики из Исследовательского центра ранней Вселенной (RESCEU) и Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU, WPI) Токийского университета представили новую модель эволюции первичных чёрных дыр. Эти миниатюрные объекты, как считается, могли бы играть роль тёмной материи, став своего рода центрами кристаллизации вещества и инициаторами появления всего в нашей Вселенной — звёзд, галактик и прочего. Японцы в этом усомнились.

Коротковолновые события ПЧД с сильнейшей амплитудой могли влиять на реликтовое излучение. Источник изображения: ESA

Согласно распространённой в научной среде гипотезе, первичные чёрные дыры возникли на этапе после Большого взрыва в процессе быстрого (инфляционного) расширения Вселенной, когда из объекта меньше атома она расширилась на 25 порядков. В процессе этого Вселенная перестала быть однородной. Сегодня мы наблюдаем следы этой неоднородности в виде реликтового излучения — космического сверхвысокочастотного микроволнового фона. Изучение слабых отклонений в реликтовом излучении может дать подсказку о происходящих 13,8 млрд лет назад процессах на самых ранних его этапах. Именно этим занялись исследователи из Японии.

Учёные применили к наблюдаемым данным хорошо изученную квантовую теорию поля. Эта теория помогает нам разбираться с поведением элементарных частиц, что также хорошо согласуется с измерениями. Перенос квантовой теории поля на космологию показал, что первичные чёрные дыры (ПЧД) должны были оказывать измеряемое влияние на реликтовое излучение. Сами по себе они неспособны влиять на сверхвысокочастотные волны, но в достаточном количестве первичные чёрные дыры должны были бы в отдельных случаях оказать когерентное влияние на микроволновый фон — усилить амплитуду отдельных волн излучения.

Если бы первичных чёрных дыр во Вселенной было много, то отклонений в показаниях реликтового излучения было бы намного больше. Тогда, в частности, первичные чёрные дыры можно было бы рассматривать в качестве кандидатов на роль тёмной материи. Но этого не наблюдается, и квантовая теория поля хорошо объясняет, почему это так. Сейчас учёные ожидают новых данных наблюдений гравитационно-волновых обсерваторий LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, которые, в том числе, находятся в разгаре поисков следов первичных чёрных дыр. И у них есть немалые шансы получить подтверждение своей модели.

За последние семь лет с неба пропали свыше 800 звёзд. Некоторые из них исчезали за считанные часы — в краткие перерывы между наблюдениями. Учёные давно начали подозревать, что при определённых обстоятельствах звёзды могут коллапсировать сразу в чёрные дыры без превращения в сверхновую и выброса энергии. Но надёжных доказательств этому не было. Новая работа по изучению двойной системы с чёрной дырой и голубым гигантом обещает пролить свет на исчезающие звёзды.

Художественное представление системы VFTS 243. Источник изображения: ESO/L. Calçada

Астрофизики из Копенгагенского университета провели детальное наблюдение за системой VFTS 243 в Большом Магеллановом Облаке, удалённой на 160 тыс. световых лет от Земли. В системе находится одна чёрная дыра массой около 10 солнечных и голубой гигант с массой 25 солнечных масс. Чёрная дыра, как показывают наблюдения и расчёты, образовалась в результате коллапса другой массивной звезды в конце её жизни. Вот только в системе нет следов взрыва сверхновой, которая, как считается, ставит точку в жизни звезды.

«Обычно вспышки сверхновых в звёздных системах можно определить массой способов после того, как они произошли, — поясняют авторы исследования. — Но, несмотря на то, что VFTS 243 содержит звезду, которая коллапсировала в чёрную дыру, следов взрыва нигде не обнаружено. VFTS 243 — необычная система. Орбита системы практически не изменилась с момента коллапса звезды в чёрную дыру».

В опубликованной в журнале Physical Review Letters работе исследователи пишут, что чёрная дыра в системе VFTS 243, вероятно, образовалась мгновенно, причём выброс энергии в основном пришёлся на нейтрино. Это означает, что стадией сверхновой можно было пренебречь.

«Если бы кто-то стоял и смотрел на обычную переживающую полный коллапс звезду, это было бы похоже на то, что в один момент звезда внезапно гаснет и исчезает с небес, — говоря авторы работы. — Коллапс настолько полный, что взрыва не происходит, ничто не улетучивается, и никто не увидит яркой сверхновой в ночном небе».

Проделанная работа не ставит точку в деле о неудавшихся сверхновых. Но она заставляет по-новому взглянуть на аналогичные случаи, благо таких может быть достаточно много для уточнения наших знаний о финальных этапах эволюции звёзд.

Джеты чёрных дыр — субсветовые выбросы частиц и вспышки сфокусированного гамма и рентгеновского излучения — смертельно опасны на расстоянии до нескольких тысяч световых лет. И если этого мало, то учёные выяснили, что джеты оказались непредсказуемыми. Наблюдение за 16 чёрными дырами в центрах галактик показало, что направление смертоносного луча колоссальной мощности может сравнительно быстро измениться на угол до 90 °.

Вращение чёрной дыры в представлении художника. Источник изображения: Lab@Openverse and Zhejiang Lab

Данные получены международной группой астрономов с использованием космической рентгеновской обсерватории NASA «Чандра» (Chandra) и радиоинтерферометра Very Long Baseline Array (VLBA). Учёные искали следы брешей в газопылевых облаках вокруг или вблизи чёрных дыр — это были следы ударов предыдущих джетов, а также активные джеты. Тем самым удалось проследить, как менялись направления высокоэнергетических струй в течение времени.

«Мы обнаружили, что около трети лучей теперь направлены в совершенно иных направлениях, чем раньше, — рассказал астрофизик Франческо Убертози (Francesco Ubertosi) из Болонского университета в Италии. — Эти чёрные дыры "Звезды смерти" поворачиваются и указывают на новые цели, подобно вымышленной космической станции из "Звёздных войн"».

Около трети изученных джетов (30–38 %), по-видимому, значительно изменили направление (более чем на 45 °) за период в 10 млн лет или меньше. Похоже, что это относительно обычное явление для сверхмассивных чёрных дыр. В ряде случаев наблюдались изменения направления почти на 90 °. Самое короткое время, за которое происходила перестройка на другую цель, составило всего около 1 млн лет. В космическом масштабе это довольно быстрая смена направления.

«Учитывая, что возраст этих чёрных дыр, вероятно, превышает 10 млрд лет, мы считаем, что значительное изменение направления в течение нескольких миллионов лет является быстрым, — заявил астрофизик Геррит Шелленбергер (Gerrit Schellenberger) из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (CfA) в США. — Изменение направления лучей гигантской чёрной дыры примерно за миллион лет аналогично изменению направления движения нового линкора в течение нескольких минут».

Исследование истории джетов чёрной дыры в рентгеновском и радиодиапазоне. Источник изображения: NASA/CXC/Univ. of Bologna

Поскольку эти струи затрудняют слияние газа и формирование звезд, любые изменения в их ориентации имеют важные последствия для состава окружающих их галактик. Очевидно, последствия будут также для биологической жизни, если она попадёт под такой «прожектор». Остаётся только радоваться, что подобные объекты очень и очень далеко от Солнечной системы. Впрочем, нас могут подстерегать другие опасности — вспышки сверхновых, нейтронные звёзды или килоновы, которые тоже выбрасывают смертоносные джеты.

Учёные обосновали существование самого большого протопланетного диска в истории наблюдений. Кому-то сильно повезло или повезёт с запасами вещества в звёздной системе. По самым скромным подсчётам, система позволит сформироваться планетам вплоть до газовых гигантов на удалении в 300 раз большем, чем расстояние от Солнца до Юпитера.

Художественное представление протопланетного диска. Источник изображения: NASA

Строго говоря, объект IRAS 23077 + 6707 (IRAS 23077) был открыт около 40 лет назад инфракрасной обсерваторией IRAS. В 2016 году объект подвергся более детальному наблюдению с помощью обзорного телескопа Pan-STARRS. За десятилетие картинка не изменилась, что можно было бы ожидать от скоплений газа и пыли вокруг сверхновых или в процессе других динамических явлений во Вселенной, что заставило учёных по-новому взглянуть на него и, как оказалось, не зря.

Подключив к наблюдению IRAS 23077 + 6707 массив радиотелескопов SMA на Гавайях, учёные увидели, что данный объект обладает всеми характеристиками, присущими протопланетному диску. Но, какому! Газ, пыль, щебень и скопления вещества простирались на гигантское расстояние от родной звезды. Расстояние от неё до фиксируемого приборами края протопланетного диска IRAS 23077 + 6707 было в 300 раз больше, чем расстояние от Солнца до Юпитера, что соответствует 1500 астрономическим единицам.

В центре этой «космической бабочки» скрыт гигантский протопланетный диск. Источник изображений: SAO/ASIAA/SMA/K. Monsch et al/Pan-STARRS

«Данные SMA дают нам неопровержимые доказательства того, что это диск и, в сочетании с оценкой расстояния до системы, показывают, что он вращается вокруг звезды, которая, вероятно, в два-четыре раза массивнее нашего Солнца. Из данных SMA мы также можем взвесить пыль и газ в этом планетарном питомнике, в котором, как мы обнаружили, достаточно материала для формирования многих планет–гигантов — и на расстояниях, более чем в 300 раз превышающих расстояние между Солнцем и Юпитером!», — делятся открытием учёные.

За свой образ в данных радиотелескопа объект IRAS 23077 + 6707 получил прозвище «Чивито Дракулы», объединив в себе национальные акценты учёных-первооткрывателей: одного из Уругвая (чивито — это тот же гамбургер), другого — из Румынии. Объект не удобен для наблюдения в оптическом и инфракрасном диапазоне — протопланетный диск повёрнут к нам под углом, но в радиодиапазоне виден достаточно хорошо, чтобы различить его структуру и молекулярные сигнатуры присутствующих в нём веществ.

Изучение подобных объектов позволит нам лучше понять условия и процессы формирования звёздных систем. Поскольку объект IRAS 23077 + 6707 находится сравнительно недалеко от нас — на удалении примерно 1000 световых лет, он может дать множество подсказок в этой сфере исследований.