Теория предполагает, что чёрные дыры в центрах галактик способны «задуть свечу их жизни» — лишить вещества для образования новых звёзд. Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба помогла воочию увидеть такой процесс — сверхмассивная чёрная дыра почти мгновенно в масштабах жизни Вселенной уморила голодом галактику-хозяина.

Источник изображения: University of Cambridge

Астрономы из Университета Кембриджа заинтересовались далёкой массивной галактикой GS-10578, большинство звёзд в которой образовались в период с 12,5 до 11,5 млрд лет назад. Благодаря инфракрасной чувствительности «Уэбба» такое наблюдение стало впервые возможным с невероятной детализацией. Галактика GS-10578 имеет массу около 200 млрд солнечных масс. Для юности Вселенной это примерно эквивалентно массе Млечного Пути — нашей родной галактики (масса Млечного Пути составляет 1,2–1,9 трлн солнечных масс). Удивительным стало открытие, что по масштабам Вселенной образование звёзд в GS-10578 прекратилось очень быстро. Галактика быстро разрослась до гигантских для того времени размеров и «умерла». Почему?

Инфракрасная чувствительность «Уэбба» помогла обнаружить улетающий из галактики со скоростью более 1000 км/с холодный газ. Это скорость, позволяющая веществу преодолеть гравитационное притяжение галактики GS-10578, тем самым лишая её «пищи» для зарождения новых звёзд. Облака холодного газа не проявляют себя в спектре наблюдений «Уэбба», но он смог определить их скопления и скорость улёта по ослаблению света фоновых звёзд в галактике. Ранее такие измерения (холодного газа) можно было проводить только с помощью радиотелескопов, поэтому «Уэбб» действительно удивил. Полученные данные учёные намерены уточнить с помощью массива антенных решёток радиотелескопа Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA). Как минимум, ALMA сможет заглянуть внутрь галактики и попытается обнаружить хоть какое-то холодное топливо для процесса рождения новых звёзд.

«Основываясь на более ранних наблюдениях, мы знали, что эта галактика находится в затухающем состоянии: в ней образуется не так много звёзд, учитывая её размер, и мы ожидали, что существует связь между чёрной дырой и окончанием звездообразования, — поясняют авторы работы. — Однако до появления «Уэбба» мы не могли изучить эту галактику достаточно подробно, чтобы подтвердить эту связь, и мы не знали, является ли это подавленное состояние временным или постоянным».

Физика происходящего процесса проста. Вещество падает на чёрную дыру и вызывает выбросы энергии и вещества в сторону от неё. От чёрной дыры постоянно «дует» поток частиц, унося молекулярные газы и пыль от центра галактики и, как мы видим, даже прочь от неё.

«Мы нашли виновника, — продолжают учёные. — Чёрная дыра убивает эту галактику и удерживает её в состоянии покоя, перекрывая источник "пищи", необходимой галактике для образования новых звёзд».

Космический телескоп NASA «Джеймс Уэбб» (James Webb) провёл детальное исследование окраин нашей галактики. Впервые были получены детальные снимки звёздных скоплений в молекулярных облаках Дигеля 1 и 2, демонстрирующие очень молодые звёзды нулевого класса, находящиеся на самой ранней стадии эволюции, молекулярные потоки и джеты, а также характерные структуры туманностей.

Источник изображений: M. Ressler (JPL) / NASA, ESA, CSA, STScI

Исследуемая область галактики расположена на расстоянии более 58 000 световых лет от галактического центра, что более чем в два раза превышает расстояние от Земли (26 000 световых лет) до центра Млечного Пути. Для наблюдений использовались два ключевых инструмента телескопа: камера ближнего (NIRCam) и среднего инфракрасного диапазона (MIRI), обеспечившие беспрецедентную детализацию изображений.

Хотя облака Дигеля находятся в пределах нашей галактики, они относительно бедны элементами тяжелее водорода и гелия, что делает их похожими на карликовые галактики и наш собственный Млечный Путь в начале формирования. Поэтому команда учёных воспользовалась возможностью использовать телескоп, чтобы запечатлеть активность, происходящую в четырёх скоплениях молодых звёзд в облаках Дигеля 1 и 2: 1A, 1B, 2N и 2S.

Наиболее информативные результаты были получены при наблюдении за облаком Дигеля 2S, где телескоп зафиксировал активный кластер молодых звёзд, испускающих протяжённые джеты вдоль своих полюсов. Если раньше учёные предполагали, что внутри облака может существовать субкластер, то возможности телескопа позволили это подтвердить. Майк Ресслер (Mike Ressler), учёный из Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA и второй автор исследования, отметил: «Что меня восхитило и поразило в данных „Уэбба“, так это то, что из этого звёздного скопления во все стороны вылетает множество джетов. Это немного похоже на фейерверк, где вы видите, как всё стреляет то в одну, то в другую сторону».

На снимке видно плотное скопление фоновых галактик и красные туманные структуры в этой области. Цвета на изображении соответствуют различным фильтрам камер MIRI и NIRCam

«В прошлом мы знали об этих регионах звёздообразования, но не могли изучить их свойства. Данные „Уэбба“ основываются на том, что мы тщательно собирали в течение многих лет в ходе других наблюдений. С помощью „Уэбба“ мы можем получить очень мощные и впечатляющие изображения этих облаков. В случае с облаком Дигеля 2 я не ожидала увидеть столь активное звёздообразование и впечатляющие джеты», — заявила Нацуко Изуми (Natsuko Izumi) из Университета Гифу и Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ).

Учёные намерены продолжить изучение процессов звёздообразования в этих регионах. Изуми подчеркнула важность объединения данных с различных обсерваторий и телескопов для детального анализа каждого этапа эволюционного процесса. Среди приоритетных направлений учёная отметила изучение околозвёздных дисков в крайних внешних областях галактики и нерешённый вопрос о причинах более короткого времени жизни этих структур по сравнению с аналогичными объектами в ближних звёздообразующих регионах. Особый интерес у неё вызывает кинематика джетов, обнаруженных в облаке Дигеля 2S.

Снимки «Уэбба» охватывают крайние внешние области галактики и облака Дигеля и являются лишь отправной точкой для команды учёных. Они намерены вновь осмотреть этот форпост Млечного Пути, чтобы найти ответы на целый ряд загадок.

Величайшая космологическая загадка современности может быть результатом ошибки измерений, сообщают учёные под руководством исследователя из Университета Чикаго (University of Chicago). Зоркие глаза «Уэбба» помогли извлечь из наблюдений данные, которые отправляют напряжённость Хаббла в диапазон погрешностей измерений. Статья об открытии ещё не прошла рецензирование, но выводы в ней интересные.

Художественное представление космического телескопа «Джеймс Уэбб». Источник изображения: NASA

Около ста лет назад Эдвин Хаббл измерил скорость разбегания галактик и выяснил, что они разлетаются, а Вселенная расширяется. Позже выяснилось удивительное: с использованием расчётов на основе одних и тех же законов физики коэффициент пропорциональности в расчётах — так называемая постоянная Хаббла, которая зависит от удалённости объекта, существенно отличается в зависимости от исходной для расчётов точки. Если измерять и считать от начала Вселенной (по измерениям реликтового излучения) то постоянная Хаббла одна (66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк), а если начинать считать от Земли и дальше, то другая (73,24 ± 1,74 (км/с)/Мпк). Почти 8 % разницы — это не ошибка, это разная физика, а такого в природе не должно быть.

Группа Венди Фридман (Wendy Freedman) из Чикагского университета воспользовалась данными Уэбба как наиболее точными на сегодняшний день. Учёные проанализировали свет сверхновых типа Ia в 10 ближайших галактиках, носящих название стандартных свечей за их предсказуемую яркость и динамику. Затем они воспользовались другими тремя методами определения скорости разбегания этих галактик: по состоянию красных гигантов, по углеродистым звёздам J-класса и Цефеидам — переменным звёздам с известными и предсказуемыми характеристиками.

Всё это раньше делал телескоп «Хаббл» и другие инструменты, поэтому вся надежда была на возросшую точность измерений с помощью инфракрасных приборов «Уэбба». И результат себя оправдал! Два первых метода (гиганты и J-звёзды) дали показатели, близкие к «реликтовому»: 69,85 (км/с)/Мпк и, соответственно, 67,96 (км/с)/Мпк. Из стройного ряда вылетели лишь Цефеиды, показав значение 72,04 (км/с)/Мпк. В среднем измеренная «Уэббом» постоянная Хаббла составила 69.96 ± 1,05 (км/с)/Мпк, что близко к Стандартной модели и практически устраняет противоречия или необходимость в напряжённости Хаббла. Никаких противоречий в современной космологической модели нет, считают учёные. Во всяком случае, они сделали шаг в сторону их ликвидации.

В журнале Nature вышла первая из трёх статей, в которой учёные сообщили о получении убедительных доказательств обнаружения самой древней галактики в истории наблюдений. Галактика JADES-GS-z14-0 существовала менее чем через 300 млн лет после Большого взрыва. Это не укладывается в голове у учёных — настолько больших, ярких и развитых галактик в те времена просто не должно было быть.

Источник изображения: NASA

«В январе 2024 года прибор NIRSpec наблюдал за этой галактикой, JADES-GS-z14-0, в течение почти десяти часов, и когда спектр был впервые обработан, были получены однозначные доказательства того, что у галактики действительно было красное смещение 14,32, что побило предыдущий рекорд самой удаленной галактики», — пояснили астрономы Стефано Карниани (Stefano Carniani ) из Высшей нормальной школы в Италии и Кевин Хайнлайн (Kevin Hainline) из Университета Аризоны.

Спектрограф NIRSpec ближнего инфракрасного диапазона в составе космической обсерватории им. Джеймса Уэбба способен определить величину красного смещения объекта, отсеяв, например, волны того же диапазона естественного происхождения — от химических и физических процессов в звёздах. Только после спектрального анализа объекта, например, галактики, можно делать вывод о его удалённости. После такого анализа галактика JADES-GS-z14-0 определена как самая древняя (или самая юная, смотря, откуда считать) в истории наблюдений.

Протяжённость галактики JADES-GS-z14-0 оценивается минимум в 1600 световых лет. Это говорит о том, что свет в основном исходит от молодых звёзд, а не от массивной чёрной дыры в её центре. Масса галактики превышает несколько сотен миллионов масс Солнца. Это примерно 10 % от массы нашей галактики Млечный Путь. Казалось бы, мелочь. Но эта «мелочь» была не по годам развита во времена Рассвета Вселенной, когда не должно было быть галактик такого размера и массы.

«Джеймс Уэбб» позволил нам заглянуть во времена, когда Вселенная была окутана туманом из атомарного водорода, рассеивавшего видимый свет и не позволяющий учёным заглянуть вглубь времён. Увиденное там бросило вызов земной науке. Динамика эволюции звёзд и галактик превысила все теоретические расчёты. В галактике JADES-GS-z14-0, например, обнаружено так много пыли и тяжёлых элементов (в астрономии это всё, что тяжелее гелия), что это невозможно сегодня объяснить. Для этого должны были жить и умереть много поколений тяжёлых звёзд, что для времени через 300 млн лет после Большого взрыва представляется просто невероятным.

Взрывы сверхновых, слияния нейтронных звёзд и чёрных дыр порождают самые энергичные явления во Вселенной — гамма-всплески, которые на Земле замечают, лишь попав под их лучи. В октябре 2022 года произошло из ряда вон выходящее событие — ярчайший за всю историю наблюдений гамма-всплеск, названный за это BOAT. Всплеск ослепил датчики телескопов, но не помешал восстановлению данных, которые оказались сюрпризом для учёных — в них обнаружился спектр.

Источник изображения: Science China Physics, Mechanics & Astronomy

В четверг 25 июля 2024 года одновременно в ведущих американском и китайском научных журналах вышли две независимые статьи, в которых сказано об удивительном открытии, вызвавшем «мурашки на коже» учёных. Впервые за многие годы регистрации гамма-всплесков в нём обнаружился спектр. Точнее, признаки спектров и раньше были в гамма-всплесках, но все они объяснялись помехами. В случае события BOAT (номер регистрации GRB 221009A) вероятность проявления помехи, а не спектра, оценивалась как один к 500 млн. Иначе говоря, есть все основания полагать, что в составе гамма-всплеска учёные впервые рассмотрели спектральные линии.

Для понимания, спектр — это подноготная физики и химии процесса. По линиям поглощения или свечения можно многое узнать о явлении, что позволит с уверенностью говорить о происхождении того или иного гамма-всплеска. Пока учёные не готовы строить предположения о сути события BOAT или «ярчайшего за всё время» (Brightest Of All Time), но расшифровка и моделирование продолжатся, и это станет основой для работы по другим подобным явлениям.

Можно подозревать, что значительный вклад в это удивительное открытие внесли китайские учёные и китайский орбитальный рентгеновский телескоп GECAM-C. В момент события BOAT все гамма-телескопы оказались ослеплены, включая ведущий инструмент NASA — «Ферми». По интенсивности всплеск BOAT в среднем оказался в 1000 раз ярче обычно регистрируемых всплесков. Датчики телескопов такое не вынесли, за исключением датчиков китайского GECAM-C, которые либо были частично отключены, либо настроены на меньшую чувствительность. Благодаря данным GECAM-C удалось восстановить данные «Ферми» и вычленить спектральные линии из сигнала.

Посвящённая статье обложка журнала Science China Physics, Mechanics & Astronomy.

Согласно выводам международной группы учёных, спектральное излучение длилось около 40 секунд и достигло пиковой энергии около 12 МэВ, по сравнению с 2 или 3 МэВ для видимого света. Китайские учёные дали более развёрнутую характеристику спектральным составляющим вспышки, заявив об открытии линии гамма-излучения с энергией до 37 МэВ, что, как они заявляют, стало спектральной линией с самой высокой энергией, когда-либо излучавшейся небесными объектами во Вселенной. Кстати, в событии BOAT обнаружены признаки необычной физики. Интрига сохраняется. Интересно, что бы это могло быть?

Всего в 0,1 световом годе от центра Млечного Пути может находиться чёрная дыра промежуточной массы — существование таких объектов пока не доказано, а кандидатов можно пересчитать по пальцам одной руки. Между чёрными дырами звёздной массы и сверхбольшими существует пропасть, что делает необъяснимым обычную эволюцию чёрных дыр. Как и другие объекты во Вселенной, чёрные дыры должны питаться и расти постепенно, а не перескакивать из одного состояния в другое.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Примерно четверть века назад в центре нашей галактики было открыто компактное звёздное скопление IRS 13. Оно с самого начала ставило учёных в тупик, а по мере совершенствования инструментов наблюдения становилось всё загадочнее и загадочнее. Сначала учёные думали, что это сверхмассивная звезда. Затем IRS 13 переквалифицировали в двойную звёздную систему. Потом сочли, что это так называемая звезда Вольфа–Райе. Новая работа астрономов из Кёльнского университета показала, что IRS 13 может быть небольшим звёздным скоплением с компактным источником массы внутри.

Но во всём этом есть одна изюминка. Скопление IRS 13 расположено рядом с чёрной дырой Стрелец A* (Sgr A*) массой 4,3 млн солнечных масс, расположенной в центре Млечного Пути. Чёрная дыра Стрелец A* должна была повлиять на траекторию звёзд в скоплении IRS 13 и разорвать его. Однако этого не происходит, что заставило учёных заподозрить о существовании некоего «цементирующего» центра у скопления.

Анализ движения звёзд в IRS 13 и моделирование показали, что в середине скопления может находиться компактный невидимый объект массой 30 тыс. солнечных. Поскольку в промежутке масс от 100 до 100 тыс. солнечных масс нет достаточно надёжно подтверждённых чёрных дыр, уверенное открытие объекта массой 30 тыс. солнечных масс обещает стать значимым событием в астрономии. Это может быть первая подтверждённая чёрная дыра промежуточной массы, которая гарантировано не могла появиться после взрыва сверхновой или от слияния двух ядер звёзд. Она должна была питаться и эволюционировать обычным образом, чтобы вырасти до измеряемой массы.

Учёные попытались больше узнать о таинственном объекте в центре IRS 13 и обнаружили в месте предполагаемого размещения чёрной дыры рентгеновское излучение и облако ионизированного газа, вращающегося со скоростью 130 км/с, что стало ещё одним подтверждением обнаружения именно чёрной дыры. Поскольку одна работа не может служить надёжным доказательством удивительного открытия, наблюдения за объектом IRS 13 будут продолжены. Если там действительно окажется чёрная дыра, то она также будет считаться кандидатом для поглощения чёрной дырой Стрелец A*, а это ещё один шажок в сторону обычной эволюции чёрных дыр: они действительно питаются и растут.

С поддержкой NASA создано видео полёта к «Столпам творения» в созвездии Орла, до которых от Земли 5700 световых лет. Виртуальная камера не только приближается к этой грандиозной естественной «скульптуре» из пыли и газа, но также совершает её облёт, демонстрируя всё великолепие и мощь вселенских явлений. Увидеть массу деталей в этом образовании позволила комбинация видимого изображения от «Хаббла» и инфракрасного от «Уэбба».

Источник изображения: NASA

«Столпы творения» состоят из холодного молекулярного водорода и пыли. Но это не монолит. Из-за сильных ветров и излучения от близлежащих молодых и горячих звёзд столпы начинают разрушаться. На вершинах столбов можно увидеть длинные и тонкие ответвляющиеся структуры, каждая из которых больше, чем наша Солнечная система.

«Пролетая мимо столпов и между ними, зритель знакомится с их трёхмерной структурой и видит, насколько по-разному они выглядят в видимом свете “Хаббла” и в инфракрасном свете “Уэбба”, — пояснил главный специалист по визуализации Фрэнк Саммерс (Frank Summers). — Разница помогает понять, почему у нас есть более одного космического телескопа для наблюдения разных аспектов одного и того же объекта».

Внутри этих структур водород и пыль под действием силы тяжести сжимаются в новые, зарождающиеся звёзды. Эти новые звёзды продолжат процесс рассеивания вещества внутри столпов. Самый высокий из столпов простирается сверху донизу на 3 световых года, что примерно равно 70 % расстояния между Солнцем и ближайшей к нам звездой.

На протяжении всей визуализации мы можем видеть звёзды на разных стадиях формирования — от протозвезд до новорожденных звёзд с джетами. Этот регион настолько богат явлениями звездообразования, что постоянно подбрасывает учёным новые данные о подобных процессах, что, в конечном итоге, позволяет раз за разом уточнять наши знания о самых первых шагах в эволюции звёзд. Наконец, это просто красиво.

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.

Тёмная материя — гипотетическая частица, обладающая только гравитационным взаимодействием, — призвана заполнить пробелы в наблюдениях Вселенной, когда звёзды и материя в целом ведут себя неправильно с позиций измеряемых масс: ускоряются на периферии галактик и преломляют свет без видимого присутствия вещества. Альтернатив у тёмной материи тоже немало, но новая гипотеза может удивить — она отвязывает массу от гравитации, объясняя всё дефектами в пространстве-времени.

Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Некоторое время назад в престижном астрономическом журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society вышла работа доктора Ричарда Лью (Richard Lieu) из Университета Алабамы в Хантсвилле (США), в которой он предложил достаточно свежую гипотезу наблюдаемых несоответствий. Учёный представил не до конца проработанный математический аппарат, который, как он пояснил, выдвигает на роль тёмной материи топологические дефекты или складки пространства-времени, возникшие из-за неоднородностей Вселенной во время фазового перехода топологии пространства-времени при разделении фундаментальных взаимодействий.

В частности, на этом этапе могли образоваться такие одномерные линейные топологические дефекты пространства-времени, которые известны как космические струны, которые достаточно давно и обоснованно поддержаны серьёзными математическими выкладками. Американский физик предположил существование других 2D-структур-дефектов — в виде сфер с нулевой гравитацией.

«Топологические дефекты представляют собой очень компактные области пространства с очень высокой плотностью вещества, обычно в виде линейных структур, известных как космические струны, хотя также возможны 2D-структуры, такие как сферические оболочки, — пояснил автор работы. — Оболочки в моей статье состоят из тонкого внутреннего слоя с положительной массой и тонкого внешнего слоя с отрицательной массой; общая масса обоих слоев — это всё, что можно оценить с точки зрения массы — в точности равна нулю, но когда звезда лежит на этой оболочке, она испытывает большую гравитационную силу, притягивающую её к центру оболочки».

Учёный представляет сферические топологические дефекты как вложенные друг в друга сферы. Они не имеют массы, но гравитационно воздействуют как на видимую материю, так и на свет. Не исключено, что предложенная концепция не может полностью исключить присутствие тёмной материи, но она значительно умаляет её роль.

Мы наблюдаем во Вселенной круги и арки протяжённостью в тысячи и сотни тысяч световых лет, поясняет автор, это может служить зримым доказательством присутствия в пространстве топологических дефектов сферической формы. В то же время учёный не сделал попытки объяснить в своей статье, как формируются складки пространства-времени сферической формы. Он также не предложил способ попытаться обнаружить их во Вселенной. Всё, что на сегодня есть — это сырой математический аппарат, который можно критиковать и развивать, что, на самом деле, уже немало.

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.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» получил, похоже, одни из самых ценных снимков за время своей работы. С его помощью учёным удалось увидеть, как рождались первые галактики во Вселенной. Это наблюдение в общем случае подтвердило нашу теорию об эволюции звёзд, галактик и самой Вселенной.

Источник изображения: NASA

«Можно сказать, что это первые "прямые" изображения формирования галактик, которые мы когда-либо видели, — пояснил ведущий автор исследования Каспер Эльм Хайнц (Kasper Elm Heintz), астрофизик Центра космического рассвета (DAWN) в Дании. — В то время как ранее "Джеймс Уэбб" показывал нам ранние галактики на более поздних стадиях эволюции [уже сформированные], здесь мы являемся свидетелями самого их рождения и, следовательно, построения первых звёздных систем во Вселенной».

Телескоп получил изображения трёх галактик примерно через 400–600 млн лет после Большого взрыва. На тот момент галактики представляли собой скопления сгустков тёмной и обычной материи, по-видимому, с чёрной дырой в их центрах. Звёзд в них ещё не было или их было исчезающее мало, и лишь на ранних стадиях эволюции. Обычная материя в те времена — это практически один водород. Именно его движение и поглощение засекли спектральные приборы «Уэбба».

Как это увидел «Уэбб»

На сделанных космической обсерваторией снимках учёные смогли различить движение водорода внутрь и по краям формирующихся галактик. Со временем под действием гравитации плотность газа в отдельных местах формирующихся галактик достигнет такого значения, которое запустит термоядерные реакции и породит первые звёзды. Но это будет потом и, к тому же, всё это мы видели на более поздних стадиях развития Вселенной. Увидеть фактически зачатие первых галактик — это редкая удача и, кстати, исследователи утверждают, что они выбирали цель для работы наобум, не до конца понимая, что же они хотят найти.

Астрономы пока не знают, как распределяется газ между центрами галактик, а также на их окраинах. Будущие наблюдения могут не только помочь решить эту задачу, но и показать, полностью ли газовые облака этих галактик состоят из первичного водорода или уже содержат более тяжёлые элементы.

На днях вышли первые научные работы по раннему циклу наблюдений за небом космической обсерваторией «Евклид» (Euclid). Этот созданный Европейским космическим агентством инструмент представил Вселенную в новом свете — его приборы одновременно улавливают видимый и инфракрасный свет, что позволяет делать «резкие» снимки на большую глубину вплоть до 10 млрд световых лет. Подобная детализация — это ключ к пониманию тёмной материи и тёмной энергии.

Туманность Конская Голова в созвездии Ориона. Источник изображений: ЕКА

Строго говоря, все представленные сегодня изображения космических объектов ЕКА уже показывало в прошлом году. Но тогда это был беглый обзор, который сегодня подкреплён прочным научным анализом. И это не только работы по поиску тёмной материи и признаков тёмной энергии. Высокая чувствительность «Евклида» в расширенном диапазоне приёма света, а также более широкий, чем у «Хаббла» и «Уэбба» обзор позволяют новому европейскому космическому инструменту делать множество других открытий. Например, телескоп способен улавливать тусклые объекты — блуждающие планеты и коричневых карликов.

Галактика NGC 6744 с зонами зарождения звёзд

Но основная задача «Евклида» — это поиск и картирование скоплений тёмной материи во Вселенной, и изучение эволюции её скоплений во времени, что даст подсказку к оценке такого необъяснимого пока явления — как тёмная энергия и ускоренное расширение Вселенной.

Сильное гравитационное линзирование позволит идентифицировать объёмы и массы тёмной материи, а слабое — отследить эволюцию «тёмных сгустков» на протяжении 10 млрд лет эволюции Вселенной. Широкое поле охвата «Евклида» позволит сделать это с максимально возможной сегодня точностью.

Детализированное изображение области звездообразования Мессье 78

К 2030 году, как ожидается, «Евклид» составит подробную карту распределения тёмной материи по Вселенной и во времени примерно на 30-% участке неба. К этому времени к нему присоединятся широкоугольные космические «супертелескопы» NASA им. Нэнси Грейс Роман и китайский «Сюньтянь». Эти инструменты восполнят пробелы в наблюдениях «Евклида», которые неизбежны для любого прибора. Но это будет уже другая история.

В рамках отрабатываемой обсерваторией им. Джеймса Уэбба программы PDRs4All («область фотодиссоциации для всех») исследователи получили самые детальные снимки Туманности Ориона. Это ближайшая к нам область звездообразования, иначе называемая звёздными яслями. Каждый элемент причудливой формы из газа и пыли в этой области — это бесценный кладезь знаний о самых первых этапах зарождения звёзд, изучать которые можно десятилетиями.

Источник изображений: PDRs4All

Мы же начнём с неземной красоты Туманности Ориона. Этот объект виден с Земли невооружённым взглядом, и учёные тысячелетиями пытались разгадать его происхождение и сущность. Расположена туманность в 1500 световых годах от Солнечной системы. В видимом диапазоне многие структуры туманности разглядеть нельзя — мешают плотные скопления пыли и газа. Инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб» стал тем инструментом, который способен заглянуть внутрь нагретых облаков, пыль и газ которых разогревает и разгоняет ультрафиолетовое излучение молодых и горячих звёзд.

Более того, излучение молодых звёзд меняет не только физические формы пыли и газа, оно ещё запускает множество химических процессов в веществе туманности. Собственно, название программы изучения физики и химии областей звездообразования говорит само за себя — она изучат в них процессы фотодиссоциации. И здесь «Уэбб» стал незаменим. Его спектрометры не такие широкоугольные, как оптические и инфракрасные приборы, но способны предоставить в тысячу раз больше информации на каждый кадр, чем приборы, работающие с видимым светом.

В Туманности Ориона учёные обнаружили свыше 600 химических веществ и соединений, которые расскажут о химии областей, где рождаются звёзды. Собрано столько данных, что их будут анализировать не одно десятилетие, говорят участники программы. Материала так много, что по этому наблюдению в журнале Astronomy & Astrophysics одновременно вышло шесть статей. И это только верхушка айсберга!

В опубликованной в четверг работе в журнале The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society группа астрономов сообщила, что обнаружила древнейшее за всё время наблюдений столкновение сверхмассивных чёрных дыр. Слияние этих колоссальных объектов произошло через 740 млн лет после Большого взрыва. Это стало доказательством, что чёрные дыры с самого начала играли значительную роль в эволюции галактик, и объяснило их стремительный рост в древности.

Квазар ZS7. Источник изображения: NASA

С появлением невероятного по чувствительности в инфракрасном диапазоне космического телескопа им. Джеймса Уэбба астрономам стали открываться явления в ранней Вселенной, куда предыдущее приборы не могли заглянуть. Это период, когда Вселенная ещё не перешагнула рубеж первого миллиарда существования из нынешних примерно 13,8 млрд лет.

Одной из загадок детства Вселенной стало открытие множества сверхмассивных чёрных дыр до первого миллиарда её развития. Согласно нашим теориям, эти объекты никак не успевали в то время развиться до детектируемых масс от нескольких десятков млн солнечных масс до млрд солнечных масс. На эти процессы должны уходить миллиарды лет, а не сотни миллионов, как показывают данные «Уэбба». Новое наблюдение как раз объясняет, каким образом чёрные дыры могли быстро набирать массу в древности, и это слияния, которых в те времена не должно было бы быть так много, чтобы они оказали влияние на всю последующую эволюцию галактики и самой Вселенной. Похоже, земная наука ошибалась на этот счёт.

«Наши результаты показывают, что слияние является важным путём, по которому чёрные дыры могут быстро расти даже на заре космоса, — сказала в заявлении руководитель исследования и учёный из Кембриджского университета Ханна Юблер (Hannah Übler). — Вместе с другими открытиями «Уэбба» активных массивных чёрных дыр в далёкой Вселенной наши результаты также показывают, что массивные чёрные дыры формировали эволюцию галактик с самого начала».

По факту исследователи засекли признаки активности древнего квазара — активного центра галактики ZS7, в центре которого живёт и быстро питается сверхмассивная чёрная дыра. Спектральной чувствительности «Уэбба» хватило, чтобы увидеть в излучении объекта две составляющие. Обе они оказались сверхмассивными чёрными дырами на грани слияния. Об этом подсказало интенсивное излучение от разогретого газа в аккреционном диске чёрных дыр, а также анализ плотности ионизированного газа.

Масса одного из объектов была определена с достаточной точностью — она составила 50 млн солнечных. Масса второй чёрной дыры оценивается как примерно такая же, но точно учёные сказать не смогли — этому помешало плотное скопление газа на пути излучения.

«Звёздная масса изученной нами системы [галактики ZS7] аналогична массе нашего соседа, Большого Магелланова облака, — поясняют учёные. — Мы можем попытаться представить, как могло бы повлиять на эволюцию сливающихся галактик, если бы в каждой галактике была одна сверхмассивная чёрная дыра, такая же большая, как у нас в Млечном Пути». Тем самым астрономы намекают, что наши модели эволюции галактик явно не учитывают множества аспектов их поведения на заре появления и это надо исследовать.

Кстати, с июня этого года «Уэбб» будет регулярно предоставляться для наблюдений сверхмассивных чёрных дыр, так что новых открытий будет не много, а очень много. Впрочем, больше информации о столкновениях чёрных дыр предоставят учёным гравитационно-волновые обсерватории, первые из которых уже работают. Такие обсерватории следующего поколения и, особенно, космического базирования смогут фиксировать столкновения чёрных дыр далеко и обильно. Жаль только, что заработают эти инструменты не раньше середины следующего десятилетия.