Строящийся поэтапно новейший радиотелескоп ASKAP в Австралии засёк странный во всех отношениях источник радиосигналов, которому пока нет объяснения. Радиоимпульс приходит на Землю с интервалом 6,5 часов. Это настолько длительный период, что его нельзя объяснить современной теорией таких периодических источников, как пульсары, магнетары или белые карлики. И эту тайну ещё предстоит открыть.

Художественное представление загадочного радиоисточника. Источник изображения: James Josephides

Источник ASKAP J1839-0756 находится в направлении, где нет видимых или ранее зарегистрированных астрономических объектов. Например, это мог бы быть белый карлик — ядро умершей и остывающей звезды. С определённой натяжкой этим можно было бы объяснить столь длительный интервал между радиоимпульсами, но пока привязки к подобным объектам не найдено.

Нейтронные звёзды, которые ассоциируются с периодическими радиосигналами, вращаются очень быстро — по несколько раз в секунду. Согласно теории, они прекращают испускать радиосигнал при замедлении скорости вращения примерно до одного оборота в минуту. Сами радиоимпульсы возникают из-за отклонения оси магнитных полюсов, из которых исходит сигнал, по отношению к оси вращения нейтронной звезды. Поэтому магнитный полюс совершает оборот и с определённым интервалом времени «светит» в сторону Земли. Если магнитный полюс никогда не направлен на нашу планету, мы не можем обнаружить такой источник.

Если исключить из списка подозреваемых пульсары, другим кандидатом может быть магнетар. Проблема в том, что магнетары также не могут вращаться слишком медленно. Кроме того, должны быть соблюдены определённые условия, чтобы они излучали радиосигнал. Астрономы обнаружили один магнетар, излучающий сигнал каждые 6,67 часа, но это импульсы в рентгеновском диапазоне. Радиосигналов от него не зарегистрировано.

Наконец, подозреваемым в источнике медленного радиосигнала может быть белый карлик. Эти объекты обычно вращаются намного медленнее нейтронных звёзд и, в принципе, при наличии сильных магнитных полей могут излучать в радиодиапазоне. Однако и здесь должны быть подходящие условия, например, это должна быть двойная система.

У обнаруженного медленного радиоисточника есть ещё одна редкая особенность. Его магнитный полюс ориентирован почти точно в сторону Земли. Это означает, что радиотелескопы регистрируют два импульса — по одному от каждого его полюса. После первого сигнала примерно через 3,2 часа приходит чуть более слабый второй. В подобной ориентации обнаружено лишь около 3 % всех радиоисточников.

Определённо, учёным повезло с объектом ASKAP J1839-0756. Его можно изучать буквально со всех сторон, и его непонятный статус только подогревает интерес. Поиск разгадки этого явления, безусловно, расширит наше представление о Вселенной.

Чем больше учёные изучают данные гамма-всплеска GRB 221009A, который называют буквально «ярчайшим за всё время» или BOAT, тем интереснее становятся их выводы. Новая работа итальянских астрономов, опубликованная в продолжение доклада марта прошлого года, связывает это событие с теорией струн и возможным объяснением тёмной материи частицами-аксионами или подобными им. Если эта гипотеза подтвердится, это станет прорывом в космологии и новой физикой.

Джет в представлении художника. Источник изображения: NASA Goddard Space Flight Center

Вспышка GRB 221009A, напомним, зафиксирована в октябре 2022 года. Она ослепила все гамма-телескопы за исключением одного китайского, который в это время находился на техобслуживании и отключил почти все датчики. Более выгодное положение заняли наземные телескопы высокоэнергетических частиц, отслеживавшие вторичный поток частиц в атмосфере Земли, вызванный первичным потоком. Одним из таких телескопов был китайский LHAASO (Большая высотная обсерватория воздушных потоков). Именно анализ данных LHAASO привёл итальянских учёных к возможному открытию.

Группа исследователей под руководством профессора Джорджио Галанти (Giorgio Galanti) из Национального института астрофизики Италии (INAF) обнаружила несоответствия в данных наблюдений. Обсерватория зафиксировала энергию фотонов гамма-излучения до 18 ТэВ (тераэлектронвольт). По мнению исследователей, такую энергию невозможно объяснить в рамках современной физики.

Согласно современным космологическим моделям, высокоэнергичные фотоны от источника GRB 221009A, находящегося на удалении 2,4 млрд световых лет от Земли, должны были взаимодействовать с фотонами диффузного внегалактического фонового излучения. Это взаимодействие должно было снизить их энергию до 10 ТэВ и ниже. Однако данные наблюдений говорят об обратном, что вынудило учёных рассмотреть альтернативные модели для объяснения явления.

В частности, высокая энергия фотонов, зарегистрированных обсерваторией, указывает на большую прозрачность Вселенной как внутри галактик, так и между ними. Это возможно в рамках теории струн при взаимодействии фотонов с аксионоподобными частицами (ALPs, axion-like particles), что исследователи обосновали в своей работе, опубликованной на сайте arXiv 30 декабря 2024 года.

Аксионы или подобные им частицы рассматриваются как кандидаты на роль тёмной материи — неуловимой субстанции, взаимодействующей с обычной материей исключительно через гравитационное взаимодействие, которое крайне слабо. Согласно расчётам, около 85 % всей материи во Вселенной представлено тёмной материей, существование которой пока удаётся определить лишь косвенно. Регистрация фотонов с экстремально высокой энергией также может служить косвенным подтверждением существования аксионов или их разновидностей семейства ALPs. Однако это требует независимого изучения и дальнейших исследований другими научными группами.

Обычно учёные даже не надеются разглядеть отдельные звёзды в далёких галактиках. Между тем, изучение звёзд на ранних этапах развития Вселенной необходимо для понимания эволюции галактик и Вселенной в целом. И тогда спасает случай, эффект гравитационного линзирования и появление более совершенных телескопов, таких как «Джеймс Уэбб». И звёзды сошлись.

Источник изображений: NASA

Астрономам из Университета Аризоны (University of Arizona) посчастливилось обнаружить одновременно десятки звёзд в галактике на таком отрезке времени, когда Вселенная была вдвое моложе — возрастом всего 6,5 млрд лет. В обычных условиях такая галактика выглядела бы на астрономических снимках, как тусклое пятно. Благодаря гравитационном линзированию в ней удалось разглядеть 40 отдельных звёзд и получить о них достаточное представление.

Открытие произошло благодаря двум наблюдениям «Уэбба» за сверхскоплением галактик Abell 370 на удалении примерно 4 млрд лет от Земли. На линии прямой видимости между Землёй и скоплением далеко за ним расположилась галактика «Дуга Дракона» (Dragon Arc). Изучение снимков скопления, сделанных «Уэббом» с разницей примерно в один год, помогло выявить четыре десятка звёзд, которые оказались родом из далёкой галактики.

Одни из обнаруженных далёких звёзд были ярче на одном снимке, другие — на втором. Анализ показал, что звёзды увеличивались как всей массой скопления Abell 370, эффект от чего назвали гравитационным макролинзированием, так и от отдельных звёзд в скоплении, которые не входили ни в какие тамошние галактики (летали свободно). Именно эти звёзды производили эффект гравитационного микролинзирования, меняя увеличение (и яркость) далёких звёзд за короткий промежуток времени — за недели и даже дни. И если скопление увеличивало галактику «Дуга Дракона» и отдельные звёзды в ней примерно в 100 раз, то отдельные звёзды в скоплении увеличивали свет далёких звёзд ещё примерно в 10 раз.

Сочетание редких условий и проницательность, а также упорство учёных дали поразительный результат — 40 наблюдаемых звёзд в галактике на удалении 6,5 млрд световых лет от Земли. Все они оказались красными гигантами на исходе своей жизни, как относительно недалёкая от нас яркая звезда Бетельгейзе. Примечательно, что «Уэбб» стал тем прибором, который впервые так далеко смог увидеть относительно холодные звёзды, ведь раньше самыми далеко обнаруживаемыми звёздами были яркие голубые гиганты. С помощью «Уэбба» астрономия взяла ещё одну планку и расширила для земной науки наблюдаемую Вселенную.

Исследование учёных из Университета Вашингтона позволяет предположить, что атомы в наших телах побывали не только в межзвёздном пространстве, но и в межгалактическом. Впервые спектральные измерения показали, что в гало галактик присутствуют огромные резервуары углерода, который поступает внутрь галактик и выходит наружу, циркулируя таким образом миллиарды лет и участвуя в эволюции галактических объектов.

Источник изображения: NASA

Считается, что элементы тяжелее водорода и гелия — включая углерод, кислород и железо — рождаются в звёздах и распространяются по галактикам и за их пределы после взрывов сверхновых. Новое исследование указывает на то, что такие элементы могут длительное время оставаться в гало галактик, многократно возвращаясь в галактические диски и участвуя в процессах звездообразования, формирования планет и других объектов, включая нас с вами и биологические организмы в целом.

В 2011 году было доказано, что галактики с продолжающимся звездообразованием окружены запасами кислорода. Гало вещества распространяется на расстояние до 400 тыс. световых лет, что в три-четыре раза превышает размеры самих галактик. Новое исследование показывает, что помимо кислорода в этих резервуарах содержится также огромное количество углерода — элемента, особенно интересного с точки зрения возможности существования биологической жизни.

Учёные использовали свет девяти далёких квазаров для анализа среды вокруг 11 галактик с продолжающимся звездообразованием. Данные о поглощении световых волн средой были получены с помощью спектрографа Cosmic Origins на космическом телескопе «Хаббл». Окологалактическая среда оказалась насыщена углеродом. Исследователи считают это ключом к пониманию эволюции галактик, в частности того, почему они так долго сохраняют способность к звездообразованию. Вещество, выброшенное из звёзд во время взрывов сверхновых, не улетучивается сразу во Вселенную, а длительное время остаётся в гало галактик и возвращается в галактические диски, где участвует в формировании новых звёзд и планет.

«Представьте окологалактическую среду как гигантскую железнодорожную станцию: она постоянно выталкивает материал наружу и втягивает его обратно, — поясняют учёные. — Тяжёлые элементы, из которых состоят звёзды, выбрасываются из их галактики-хозяина в окологалактическую среду в результате взрывов сверхновых. Затем эти элементы могут быть втянуты обратно, продолжая цикл формирования звёзд и планет».

Изучение динамики круговорота вещества в окологалактических средах важно для понимания того, как и с какой скоростью галактики превращаются в пустыни, где звездообразование прекращается. Это также позволяет глубже понять продолжительность этапов эволюции галактик.

«Для эволюции галактик и природы в целом наличие резервуара углерода, доступного для формирования новых звёзд, является захватывающим открытием, — пишут авторы исследования. — Тот же углерод, из которого состоят наши тела, скорее всего, провёл значительное время за пределами галактики!»

Один из запланированных штатных обзоров неба, выполненных обсерваторией имени Джеймса Уэбба, привёл к случайному, но удивительному открытию. В данных телескопа учёные обнаружили одну из самых совершенных галактик, известных во Вселенной, — спиральную галактику с упорядоченной структурой. Таких галактик, на поздних этапах эволюции Вселенной, обнаружено не более 10 %. «Уэбб» зафиксировал это чудо совершенства всего через один миллиард лет после Большого взрыва.

Близкая к нам галактика M1 — пример спиральной галактики с упорядоченной структурой. Источник изображения: NASA

Открытие сделала команда под руководством астронома Мэнъюань Сяо (Mengyuan Xiao) из Женевского университета в Швейцарии (University of Geneva). Галактика получила название Чжу-лун (дракон-предок или дракон с факелом).

«Чжу-лун показывает, что зрелые галактики возникли намного раньше, чем ожидалось, в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, — пишет команда. — Наше открытие накладывает серьёзные ограничения на модели формирования массивных галактик и происхождения спиральных структур в ранней Вселенной».

Большинство известных нам спиральных галактик занимают промежуточное положение между строго упорядоченными и фрагментированными. Галактик со строго упорядоченной структурой — с аккуратными и симметричными рукавами и ярко выраженными структурными элементами — насчитывается всего около 10 %. Для образования такого порядка требуется чрезвычайно много времени.

Галактика Чжу-лун в данных «Уэбба». Источник изображения: University of Geneva

Тем удивительнее было обнаружить такую галактику всего через один миллиард лет после Большого взрыва. Это указывает на то, что галактики типа нашего Млечного Пути должны эволюционировать в десять раз быстрее, чем предполагалось ранее, а вокруг нас ничего подобного не наблюдается. Более того, до появления «Уэбба» мы не видели подобных хорошо структурированных галактик на удалении до 11,5 млрд световых лет. Галактика Чжу-лун была обнаружена на расстоянии, соответствующем возрасту Вселенной 12,8 млрд лет назад, что требует своего объяснения.

Анализ данных по Чжу-лун показал, что скорость звездообразования в этой галактике замедляется и на момент наблюдения составляла от 20 до 155 солнечных масс в год (для сравнения, скорость звездообразования в Млечном Пути составляет около трёх солнечных масс в год). Чёрная дыра в центре Чжу-лун демонстрирует состояние покоя. По всем признакам, галактика завершила свою эволюцию в те времена, когда Млечный Путь только начинал своё формирование. Но даже сейчас Млечный Путь не столь организован, как Чжу-лун 12,8 млрд лет назад.

Группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) на шаг приблизилась к разгадке источника загадочных радиосигналов — быстрых радиовсплесков (FRB) мощностью в сотни миллионов солнц продолжительностью несколько миллисекунд. Это близко к пределу мощности энергии, на который только способна физика нашей Вселенной. Исследователи впервые проследили радиосигнал до вероятного источника — магнетара, удалённого от нас на 200 млн световых лет.

Художественное представление быстрого радиовсплеска от магнетара. Источник изображения: Daniel Liévano, MIT News

Магнетары считаются наиболее вероятными источниками FRB. Однако поймать их непросто. Во-первых, это нейтронные звёзды — фактически угли от бывших звёзд. Такие не увидеть в телескоп, особенно если они за миллионы и миллиарды световых лет от Земли. Во-вторых, быстрые радиовсплески не повторяются, поэтому отследить и предсказать их источник заранее нельзя. Учёным остаётся только анализировать записанный сигнал. И кое-что в этом сигнале даёт подсказку, где искать его загадочный источник.

В записи радиосигнала есть информация о его поляризации. Когда радиосигнал и другое излучение проходят через пространство, они ионизируют встречающиеся на пути атомы газа и пыли. Это заставляет излучение как бы мерцать, что называется термином сцинтилляция. Также излучение приобретает ту или иную поляризацию, из характеристики которой можно сделать вывод о происхождении сигнала.

Исследователи взяли в разработку быстрый радиовсплеск FRB 20221022A, обнаруженный в 2022 году. Они смогли проследить его до источника, удалённого на 200 млн световых лет от нас. Анализ поляризации и «мерцания» сигнала позволили сузить область его происхождения до пространства 10 000 км в поперечнике. Это как измерить ширину спирали ДНК (2 нм) с Земли на поверхности Луны. Поиск иголки в стогу сена по сравнению с этим покажется лёгкой задачкой.

Поляризация FRB 20221022A обнаружила признаки испускания сигнала от вращающегося источника, каким по совокупным признакам может быть только магнетар — нейтронная звезда с мощнейшими во Вселенной магнитными полями. Исследователи считают, что это на сегодня самое точное доказательство происхождения быстрых радиовсплесков, но до конца вопрос определённо не закрыт и потребует множества новых наблюдений.

Частным случаем уравнений Эйнштейна из общей теории относительности стали выводы Фридмана об однородности нашей Вселенной. Она одинакова и равномерно заполнена материей во всех направлениях на всём протяжении, что было доказано учёными. Но четверть века назад были обнаружены признаки ускоренного расширения Вселенной, что не имело объяснения в рамках официальной космологии и пришлось выдумывать тёмную энергию. Но у тёмной энергии есть альтернатива, и она получила подтверждение.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Опубликованная в конце декабря 2024 года в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters работа группы учёных, возглавляемая астрофизиком Антонией Сейферт (Antonia Seifert) из Кентерберийского университета в Новой Зеландии, собрала доказательства альтернативной сущности нашей Вселенной, а именно того, что она, напротив, очень даже неоднородная. При этом общая теория относительности Эйнштейна ничуть от этого не страдает. Зато, если собранные группой данные будут подтверждены независимыми коллективами, это перевернёт представление науки о строении Вселенной с ног на голову или даже наоборот, поставит её на ноги, сделав ненужным, к примеру, такой «костыль», как тёмная энергия.

Основы теоретического обоснования неоднородности Вселенной были предложены в 2007 году рядом учёных, включая Дэвида Уилтшира (David Wiltshire). Добавим, Уилтшир заявлен как соавтор новой работы, доказывающей его правоту, поэтому независимый анализ представленных данных должен быть проведён обязательно. По его представлению, по мере развития Вселенной материя сгруппировалась в суперскопления, которых достаточно, чтобы скопления и пустоты могли оказывать существенные локальные влияния на пространство-время.

В рамках современной космологической модели Вселенной (ΛCDM, лямбда или космологическая постоянная плюс холодная и тёмная материя) свет равномерно и равноэффективно распространяется по всей Вселенной на всём её протяжении. В рамках космологической модели timescape или «ландшафта времени» Уилтшира внутренние часики Вселенной тикают медленнее возле гравитационных ям (скоплений материи) и быстрее в пустотах. Всё как завещал Альберт Эйнштейн в специальной теории относительности. Живущие на верхних этажах люди постареют быстрее живущих на первом этаже, хотя разница эта будет исчисляться минутами или даже секундами за время жизни. Но для Вселенной с её расстояниями и распределением масс это может иметь решающее значение.

Группа Сейферт проанализировала самые последние и наиболее полные наблюдения сверхновых типа Ia на данных Pantheon+ и заявила, что полученные данные согласуются с моделью Вселенной, которая не может считаться однородной, что также позволяет сделать вывод о ненужности тёмной энергии.

«Эти результаты свидетельствуют о необходимости пересмотра основ теоретической и наблюдательной космологии», — сообщают они в своей работе.

Сверхновые типа Ia являются одними из стандартных свечей, яркость которых известна, что позволяет достаточно точно определять расстояние до них. Именно измерением расстояний до таких сверхновых в 1998 году было определено, что Вселенная ускоренно расширяется, что потребовало введение понятия тёмной энергии. Новая работа показывает, что мы имеем дело с иллюзией. Из-за эффектов искажения пространства-времени мы неверно оцениваем расстояния до сверхновых, и они кажутся дальше, чем на самом деле (что означает также якобы их ускоренное перемещение). На самом же деле, Вселенная может даже сжиматься, а не расширяться, если начать углубляться в процесс с позиций теории «временного ландшафта».

«Рассматривая всю выборку Pantheon+, мы находим очень веские доказательства в пользу timescape, а не ΛCDM», — говорят Сейферт и соавторы.

Учёные уверяют, что от открытия тёмной материи нас отделяют считанные секунды. Подвох в том, что обнаружить её можно в строго заданных условиях и только с помощью одного инструмента — гамма-телескопа «Ферми». Неизвестными остаются место и время, куда и когда необходимо направить этот инструмент. Это как сыграть в лотерею с шансами выиграть 1 к 10. Но можно «сжульничать» и добиться нужного результата.

Остатки последней близлежащей сверхновой, взорвавшейся в феврале 1987 года. Источник изображения: NASA

Искать учёные предлагают аксионы — гипотетические частицы, предложенные ещё в 70-х годах прошлого века для устранения ряда противоречий в физике элементарных частиц. Позже оказалось, что аксионы подходят на роль тёмной материи. Они не имеют заряда и обладают крайне малой массой — в миллиарды раз легче электронов. Одно из предсказанных свойств аксионов — это их распад в сильном магнитном поле с испусканием фотонов. Именно по этому признаку аксионы пытаются искать в лабораторных условиях. Однако таких энергий, как в космосе, в лаборатории создать невозможно. Поэтому учёные надеются обнаружить аксионы в природных условиях Вселенной.

Перспективными источниками аксионов считаются нейтронные звёзды. Частицы могут рождаться в невероятно мощном гравитационном поле этих объектов, а сильнейшее магнитное поле звёзд создаёт подходящую среду для распада аксионов. В одной из предыдущих работ астрономы предлагали искать слабое добавочной свечение нейтронных звёзд как признак окружающего эти объекты облака из аксионов.

В новой работе учёные из Калифорнийского университета в Беркли (University of California, Berkeley) заявляют, что наилучший момент для обнаружения аксионов — это взрыв ближайшей к Земле сверхновой. Не нужно ждать, пока сверхмассивная звезда на исходе своей жизни коллапсирует до состояния нейтронной. Расчёты показывают, что в первые 10 секунд взрыва будет выброшено множество аксионов. Это позволит решить проблему тёмной материи и раскрыть ряд других загадок космологии. Сегодня подобное событие и частицы способен уловить космический гамма-телескоп «Ферми». Главная проблема в том, что он должен быть направлен на сверхновую в момент её рождения, а шансов на это немного.

Схема предложенного эксперимента по поиску аксионов

Близкие к Земле сверхновые появляются нечасто — примерно раз в 50 лет. Одна такая вспыхнула в 1987 году. Следующая сверхновая может появиться в любой момент. Вопрос с тёмной материей и аксионами можно решить быстро и навсегда, но только если заранее подготовиться. Учёные считают, что для этого стоит вывести в космос флот небольших гамма-телескопов, которые обеспечат 100-процентное покрытие неба. Тогда первая же близкая сверхновая предоставит достоверные данные о существовании аксионов и их массе (энергии).

Мы можем потратить десятилетия на раскрытие загадки тёмной материи или найти решение за 10 секунд. Даже отрицательный результат будет полезен, наложив ограничения на массу гипотетических частиц и значительно продвинув физику вперёд.

Вселенная расширяется с ускорением и учёные не могут объяснить, что заставляет не связанные гравитацией звёзды и галактики нестись прочь друг от друга. Но что ещё хуже, величина ускорения отнюдь не постоянна: вскоре после Большого взрыва объекты разлетались с одним ускорением, а сейчас — с другим. Это намекает на то, что физика на разных отрезках развития Вселенной могла отличаться, что ещё сильнее запутывает ситуацию. «Джеймс Уэбб» мог бы помочь, но нет.

Галактика NGC 5468 на удалении 130 млн световых лет от Земли. Источник изображения: NASA

Учёные надеялись, что серия наблюдений за звёздами с помощью телескопа «Хаббл» содержит погрешности, которые могли бы устранить из уравнений оценки скорости расширения Вселенной так называемую напряжённость Хаббла. Эта напряжённость возникла из-за расхождения между измерениями скорости расширения на основе данных о реликтовом излучении и оценками расстояний до звёзд-маяков (цефеид, сверхновых, красных гигантов и других). Реликтовое излучение и основанная на его характеристиках модель LambdaCDM дают значение 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк, тогда как данные по звёздам — 73,24 ± 1,74 (км/с)/Мпк. Разница около 8 % заставляет предполагать, что мы чего-то не знаем о ранней Вселенной.

С появлением космической обсерватории им. Джеймса Уэбба появилась надежда, что этот инструмент либо опровергнет, либо докажет состоятельность напряжённости Хаббла. Собственно, пока он и опровергает и доказывает, что разница в скорости расширения Вселенной присутствует, что говорит о том, что теоретикам пока рано подключаться. Благодаря высокой чувствительности «Уэбба» учёные улучшают калибровку лестницы расстояний, начиная от цефеид и заканчивая сверхновыми. Новая работа направлена на уточнение погрешностей в оценках расстояний до звёзд, сделанных ранее «Хабблом».

В общей сложности учёные исследовали 1000 цефеид в пяти галактиках на расстоянии 130 млн световых лет с помощью «Уэбба». Похожие данные собирал «Хаббл». Наблюдения «Уэбба» оказались точнее, так как позволили устранить такие погрешности, как влияние межзвёздной пыли на яркость цефеид, а также исключить эффект смешения света звёзд, который затруднял определение их истинной светимости и, следовательно, расстояний до объектов.

С вероятностью 8 сигма было показано, что «неопознанная скученность фотометрии цефеид» не может служить объяснением напряжённости Хаббла. Иными словами, напряжённость Хаббла — это не ошибка и она остаётся необъяснимой. Данные наблюдений «Хаббла» и «Уэбба» продолжают подтверждать существенное отличие скорости расширения Вселенной на ранних этапах её существования и в период зрелости.

«Одним из возможных объяснений напряжённости Хаббла могло бы быть отсутствие чего-то в нашем понимании ранней Вселенной, например, нового компонента материи — ранней тёмной энергии, которая придала Вселенной неожиданный толчок после Большого взрыва, — сказал космолог из JHU Марк Камионковский (Marc Kamionkowski). — Также существуют другие идеи, такие как необычные свойства тёмной материи, экзотические частицы, изменение массы электрона или первичные магнитные поля, которые могли бы сыграть свою роль. У теоретиков есть возможность для творческого подхода».

Сделанные космической обсерваторией им. Джеймса Уэбба открытия в ранней Вселенной заставили учёных усомниться в основах современной космологии. В частности, «Уэбб» обнаружил в ранней Вселенной необъяснимо большие чёрные дыры, которые не должны были развиться в процессе эволюции звёзд. Объяснить наблюдаемое несоответствие можно в том случае, если чёрные дыры появились не после смерти первых звёзд, а раньше их — через доли секунды после Большого взрыва.

Художественное представление двух сближающихся чёрных дыр. Источник изображения: NASA

Идею рождения миниатюрных чёрных дыр или «семян» вскоре после Большого взрыва в своё время высказал физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking). Они и сегодня могут находиться во Вселенной, медленно испаряясь в процессе излучения Хокинга. Но, ни одну миниатюрную чёрную дыру учёные так и не смогли обнаружить, как, собственно, и гипотетическое излучении Хокинга. Тем не менее, если «Уэбб» обнаруживает через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва сверхмассивные чёрные дыры, то теория Хокинга лучше других аргументов объясняет, почему так может быть.

Часть затравок чёрных дыр могла попасть в подходящие условия, где концентрация вещества была достаточно большой, чтобы эти объекты быстро набирали массу параллельно с эволюционирующей Вселенной на самых ранних этапах её жизни, доказали учёные. Сверхмассивные чёрные дыры образовались не из звёзд (хотя некоторые — вполне), а эволюционировали параллельно первым звёздам. И как только Вселенная развеяла мрак в эпоху реионизации, она явила последующему взгляду не только первые звёзды и галактики, но также сформировавшиеся сверхмассивные чёрные дыры.

Представившая свои выводы группа астрономов считает, что сделанные ими выкладки должны побудить учёных изменить модели эволюции звёзд, галактик и, собственно, чёрных дыр, а затем проверить эти модели наблюдениями. Возможно, со временем так и произойдёт. Пока работа «Уэбба» — это пиршество для наблюдателей. Теоретики ждут наработки большего объёма материала и пока лишь скептически улыбаются.

Вселенная слишком большая и старая, чтобы в реальном времени наблюдать за происходящими в ней процессами. Между тем, только наблюдения дают истинные представления о мире, в котором мы живём. Выход находится в моделировании. Суперкомпьютеры могут воссоздавать модель Вселенной в определённых рамках, но требуют взамен использования немалых ресурсов, которые, к счастью, сегодня доступны учёным.

Источник изображения: Argonne National Laboratory

Несколько лет подготовки и настраивания алгоритмов позволили создать крупнейшую за всю историю цифровую модель части Вселенной. Работа завершена в ноябре 2024 года. Суперкомпьютер Frontier в Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) силами своих 9000 узлов, где каждый узел представлен процессором AMD EPYC 3-го поколения и четырьмя GPU-ускорителями AMD Instinct 250X, создал модель расширяющейся Вселенной объёмом свыше 31 млрд Мпс³ (мегапарсек кубических).

«Во Вселенной есть два компонента: тёмная материя, которая, насколько нам известно, взаимодействует только гравитационно, и обычная материя, или атомное вещество, — объясняет физик Салман Хабиб (Salman Habib) из Аргоннской национальной лаборатории в США, который руководил работой. — Итак, если мы хотим знать, что представляет собой Вселенная, нам нужно смоделировать обе эти вещи: гравитацию, а также всю остальную физику, включая горячий газ, и образование звёзд, чёрных дыр и галактик; астрофизическую "кухню", так сказать. Эти симуляции — это то, что мы называем симуляциями космологической гидродинамики».

Тем самым нетрудно понять, что проект под названием ExaSky — крупнейшая за всю истории симуляция Вселенной — поможет учёным лучше разобраться в физике и эволюции Вселенной, включая исследование природы тёмной материи. Модель позволяет ускоренно просматривать эволюционные трансформации вещества под разными углами и с разных сторон. Соотнесение наблюдаемого в реальной Вселенной с эволюцией в модели поможет уточнить теорию и практику, а также обратит внимание на нюансы, которые могли ускользнуть от понимания.

Прежде чем мы увидим какие-либо публикации на основе работы с новой моделью Вселенной, пройдёт год или больше, но учёные уже сегодня предлагают ознакомиться с фрагментом модели. В подготовленном для этого видеоролике представлена всего одна тысячная от всей модели — объём пространства 311 296 Мпс³ или куб со сторонами 64 × 64 × 76 Мпс. Это стало настоящим вызовом для мощностей Frontier, добавляют учёные, но оно того стоило.

В данных космической обсерватории им. Джеймса Уэбба учёные обнаружили трёх «Красных монстров» — три сверхмассивных для своего времени галактики, скорость формирования которых выходит за рамки современной космологии. Выборка небольшая, но она заставляет искать новые признаки нашего неточного понимания природы формирования звёзд и галактик на ранних этапах жизни Вселенной.

Источник изображения: University of Geneva

Международная группа учёных во главе с астрономами из Женевского университета (UNIGE) использовала собранные «Уэббом» данные по галактикам на красных смещениях от z=5 до z=9. Для этих значений возраст Вселенной составлял 1–1,5 млрд лет. По причине ускоренного разлёта звёзд и галактик во Вселенной длина волны фотонов становится длиннее и уходит во всё более красную область, что можно определить по спектральным измерениям. «Уэбб» как раз специализируется на таком. Тем самым он позволяет с приемлемой точностью определить расстояния до объектов и их массу.

Учёные отобрали для углублённого анализа 36 далёких массивных, пыльных, звездообразующих галактик. Из этого числа 33 галактики укладывались в рамки современных представлений о скорости их формирования, однако три вышли далеко за пределы моделей. За эту уникальность и сверхбольшую массу эти три объекта назвали «Красными монстрами». Расчёты показали, что для достижения наблюдаемых масс скорость рождения звёзд в них должна была быть на 50 % больше предсказываемой.

Нельзя исключать, что в данные наблюдений могли вкрасться ошибки. И всё же, учёные не исключают возможности, что в ранней Вселенной могли складываться условия для ускорения процессов рождения звёзд. Пока фактического материала недостаточно, чтобы потрясти основы современной космологии. Формируется лишь намёк на неполноту знаний о процессах и явлениях в ранней Вселенной. «Уэбб» вряд ли станет тем инструментом, который не оставит камня на камне на предыдущих воззрениях, но сомнения он заронил, а в науке нет ничего ценнее критики и здорового скептицизма.

Во время солнечных затмений мы видим солнечную корону — яркий ореол вокруг Луны, заслоняющей в такие моменты Солнце. Это светится разреженная внешняя атмосфера звезды с плотностью вакуума и температурой в миллионы градусов — корона Солнца. У чёрных дыр должна быть своя корона, но увидеть её практически нереально, зато возможно обнаружить её присутствие и определить форму.

Художественное представление диска аккреции у чёрной дыры. Источник изображения: NASA

Поиски короны чёрной дыры помогут в определении типов квазаров — активных ядер галактик. Чёрная дыра — это не тот объект, который можно рассматривать в телескоп и делать заключения об увиденном. Строго говоря, чёрные дыры — это всё ещё гипотеза. Неслучайно при присуждении Нобелевской премии по физике в 2020 году за открытие чёрной дыры в центре нашей галактики комитет осторожно написал об открытии «компактного астрофизического объекта», а не о чёрной дыре. Корона чёрной дыры — это ещё более эфемерное явление, чем существование самих чёрных дыр.

Где же у чёрных дыр корона? Известно, что чёрные дыры окружены веществом, которое формирует форму диска или тора в плоскости вращения дыры. Чем ближе вещество к горизонту событий чёрной дыры, тем быстрее оно вращается в диске и тем сильнее нагревается от трения и гравитации. Это уже зона аккреции, из которой вещество падает на чёрную дыру. И где-то на его внутреннем краю вещество превращается в нагретую до миллиардов градусов плазму. Эта сверхразогретая плазма и есть корона чёрной дыры. Другое дело, что обнаружить её и определить форму оказалось непросто.

Если диск аккреции направлен на нас своей плоскостью, то излучение короны в виде рентгеновских лучей теряется в общем излучении чёрной дыры (фактически — в излучении диска аккреции, ведь горизонт событий чёрной дыры никакой свет не покидает). При взгляде на диск аккреции сбоку свет от его центральной области блокируется более холодным веществом по краям. Но, как оказалось, не в случае короны чёрной дыры. Рентгеновское излучение от плазмы короны оказалось способным переотражаться в «бублике» газопылевого диска вокруг чёрной дыры таким образом, чтобы добираться до земного наблюдателя даже при взгляде с торца.

Учёные изучили дюжину таких «затемнённых» чёрных дыр, включая Cygnus X-1 и X-3 в Млечном Пути и LMC X-1 и X-3 в Большом Магеллановом Облаке, подняв данные обсерватории NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), и выяснили, что во всех случаях геометрия и поведение короны у чёрных дыр совпадают. Исходя из этого, геометрия и физика короны должна быть одинаковой как у чёрных дыр звёздной массы, так и у сверхмассивных чёрных дыр. Это означает, что можно собрать больше данных, в том числе, о квазарах, которые, как правило, слишком яркие, что само по себе является помехой для их изучения и любой новый способ исследования будет полезен.

Франко-швейцарская группа учёных попыталась на фактическом материале проверить верность уравнений Эйнштейна, описывающих Вселенную. Для этого они воспользовались данными обзора Dark Energy Survey за первые три года наблюдений. Анализ влияния 100 млн галактик на пространство-время дал отклонения от предсказаний Эйнштейна на 3 сигма, чего недостаточно для открытия, но хватило для зарождения сомнений в верности уравнений великого учёного.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Как предсказал в 1915 году Эйнштейн, гравитация — это нечто большее, чем сила всеобщего тяготения, о чём говорил Ньютон и его законы. В 1919 году в ходе прямого измерения отклонения света звёзд Солнцем (его гравитацией) уравнения Эйнштейна были подтверждены наблюдением. С тех пор только ленивые учёные не пытаются опровергнуть Альберта Эйнштейна, который ввёл в метрику гравитации искажение не только пространства, но и времени. Пока уравнения Эйнштейна, являющиеся частью Общей теории относительности, остаются незыблемыми.

Исследователи из университетов Женевы (UNIGE) и Тулузы (III университет имени Поля Сабатье) воспользовались первыми данными обзора Dark Energy Survey, чтобы проверить уравнения Эйнштейна с помощью наблюдений за 100 млн галактик. Данные получены по объектам на удалении 3,5, 5, 6 и 7 млрд лет назад. По словам учёных, это первый анализ данных о влиянии масс галактик одновременно на пространство и время.

Согласно теории Эйнштейна, материя создаёт искривление пространства-времени тем больше, чем больше масса. Обычно это иллюстрируют помещением тяжёлого шара на эластичную поверхность, которую тот продавливает тем сильнее, чем он тяжелее — это принято называть гравитационными колодцами. Следует лишь помнить, что материя искажает пространство во всех направлениях в трёх измерениях, поэтому колодец на самом деле — это, скорее, шар или шарообразный объём в пространстве-времени. Но это детали. Из уравнений Эйнштейна можно рассчитать, насколько свет преломится — произойдёт гравитационное линзирование, когда он минует скопления масс. И если в этих расчётах появится отклонение от наблюдаемых, то Вселенная может оказаться совсем не такой или не везде такой, как предсказывал Эйнштейн.

Из данных Dark Energy Survey учёные вывели, что на удалении 6 и 7 млрд лет от нас уравнения Эйнштейна, можно сказать, безупречны. На удалении 3,5 и 5 млрд лет от нас появились отклонения между наблюдениями и расчётами. Отклонения составили 3 сигма, тогда как значимым результатом принято считать отклонения в 5 сигма. По мнению исследователей, существенные отклонения результатов наблюдений от предсказаний заставляют усилить интенсивность работ на этом направлении. Отличия стали наблюдаться на этапе, когда Вселенная начала ускоренно расширяться. «Гравитационные колодцы» на этом отрезке стали мельче — гравитация стала слабее проявлять себя.

За ускоренное расширение Вселенной отвечает тёмная энергия — неизвестная субстанция или свойство Вселенной, а может быть, даже, гравитация, раз изменения начали наблюдаться в связи друг с другом. Уравнения Эйнштейна описывают нашу Вселенную (Вселенная Фридмана) и любые другие версии Вселенных. Обнаружение в них изъяна стало бы открытием огромного значения и помогло бы ответить на много вопросов об устройстве мироздания.

Не всем звёздам везёт обзавестись собственным выводком планет. Во Вселенной могут сложиться условия, при которых протопланетные диски рассеиваются быстрее, чем появляется возможность сформироваться планетам. Это хорошо иллюстрирует звёздная ассоциация Лебедь OB2 (Cygnus OB2), за которой наблюдала группа астрономов. В зависимости от окружения протопланетные диски сохранились у 1–40 % молодых звёзд, хотя все они одного возраста.

Область Лебедь OB2, где фиолетовым показано свечение в рентгене, а остальное в инфракрасном свете. Источник изображения: NASA

Звёздная ассоциация Лебедь OB2 находится примерно в 4600 световых годах от Земли. Это не звёздное скопление, поскольку большинство звёзд не связаны гравитацией и со временем разлетятся по галактике (в скоплениях звёзды удерживаются гравитацией вместе). Население ассоциации представлено в основном молодыми и горячими звёздами, вокруг каждой из которых должен иметься протопланетный диск. Звёзды сами образовались из такого диска, и что-то, а зачастую очень много, всегда остаётся лишним.

В то же время насыщенность пространства в области Лебедь OB2 молодыми звёздами создаёт некомфортные условия для планетообразующих дисков. Интенсивное излучение в ультрафиолете и рентгеновском диапазоне заставляет вещество дисков испаряться и уноситься прочь. Это явление называется фотоиспарением: газ в протопланетном диске нагревается и ионизируется, а внутреннее давление излучения от звезды выталкивает его из диска.

В обычных условиях звёзды типа нашего Солнца могут развеять протопланетный диск за 5–10 млн лет. Горячие и яркие звёзды классов O и B делают это за более короткий промежуток времени, не оставляя, как показывает новое исследование, шансов для образования планет.

Учёные создали составное изображение области Лебедь OB2 из снимков космической рентгеновской обсерватории «Чандра» (Chandra) и инфракрасной «Спитцер» (Spitzer). «Чандра» показывает области с интенсивным рентгеновским излучением, а «Спитцер» выявляет пыль (диски) и звёзды.

Анализ изображения показал, что менее массивные звёзды в ассоциации, находящиеся в менее плотном окружении соседей, имеют протопланетные диски, которые были обнаружены у 40 % звёзд. Они не такие горячие, чтобы развеять пыль и газ вокруг себя. В более плотных звёздных группах протопланетные диски имелись только у 18 % звёзд. В самом экстремальном и плотном окружении протопланетные диски сохранились только у 1 % звёзд. Когда звёзд много, они яркие, горячие и расположены достаточно близко друг к другу, это не способствует образованию планет и зарождению жизни. Ещё одна монета в копилку знаний о том, где искать жизнь во Вселенной. Звёзд в ней так много, что наблюдательный ресурс нужно расходовать только после очень вдумчивого выбора.