Два мексиканских учёных на основании общедоступных данных от гамма-телескопа «Ферми» обнаружили активность возле сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики. Чёрная дыра Стрелец А* в центре Млечного Пути считается спокойной. Она не пожирает массы вещества вокруг себя, и поэтому множественных выбросов из её области нет. Однако кое-что от неё прилетает, и учёные отыскали вероятный источник загадочных вспышек.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2 / 3DNews

Несколько лет назад учёные обнаружили периодические вспышки в рентгеновском диапазоне, которые приходили к нам со стороны чёрной дыры Стрелец А*. Астрофизики Густаво Магальянес-Гихон (Gustavo Magallanes-Guijón) и Серхио Мендоса (Sergio Mendoza) из Национального автономного университета Мексики решили детальнее разобраться в этом вопросе и обратились к открытым данным орбитального гамма-телескопа Ферми. Учёные проанализировали 180 дней записей телескопа в период с 22 июня по 19 декабря 2022 года. О результатах анализа они сообщили в статье на сайте препринтов arХiv.

Анализ заключался в обработке и поиске закономерностей, особенно тех, которые проявляются периодически. В результате они нашли одну из них. Оказалось, что из окрестностей Стрельца А* с достоверностью 3 сигма (для «железного» подтверждения открытия требуется достоверность не менее 5σ) каждые 76,32 мин приходит гамма-сигнал. С большой вероятностью вокруг чёрной дыры в центре Млечного Пути вращается сгусток газа на расстоянии примерно как Меркурий от Солнца со скоростью около 30 % от скорости света.

Учёные считают, что облако газа будет излучать также в других диапазонах, и оно точно связано с ранее обнаруженными периодическими вспышками в рентгеновском диапазоне. Из самой чёрной дыры не вылетает никакое излучение, но в области поглощения вещества в диске аккреции процессы протекают очень и очень активно и сопровождаются выбросами энергии. Возможно в будущем Стрелец А* ещё зажжёт, но пока только подмигивает.

Учёные из коллаборации Telescope Array сообщили о регистрации «божественной» частицы, прилетевшей к нам из космоса. Поскольку частица прилетела из войда — из пустой области Вселенной — её источником может оказаться неизвестная нам физика, что делает открытие невообразимо ценным для учёных.

Ливень из вторичных частиц на массив датчиков телескопа TA в представлении художника. Источник изображения: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Зарегистрированная энергия космической частицы достигла 244 эксаэлектронвольта (10¹⁸ электронвольт). Она стала одной из мощнейших по величине заряда из всех зарегистрированных нашей наукой. Первая подобная частица была детектирована в 1991 году, и её энергия составила 320 эксаэлектронвольт, за что она получила прозвище «Oh-My-God». В 1993 и 2001 годах были зарегистрированы ещё две частицы с энергиями, соответственно, 213 и 280 эксаэлектронвольт. Происхождение всех их остаётся невыясненным.

Последняя частица была детектирована на установке Telescope Array утром 27 мая 2021 года, за что её потом назвали в честь японской богини Солнца Аматэрасу (в коллективе присутствовал японец). Телескоп TA представляет собой массив датчиков со сторонами около 700 км с шагом в 1,2 км. Считается, что космические частицы максимальных энергий прибывают на Землю с частотой менее одной в сто лет на 1 км². И чем больше массив датчиков, тем выше вероятность засечь такую частицу.

Саму частицу Аматэрасу массив датчиков увидеть не может. Она разрушается в атмосфере при столкновении с атомами в воздухе и создаёт ливень обломков — частиц с меньшими энергиями, которые, собственно, обнаруживают детекторы. Данные с датчиков позволяют восстановить параметры исходной частицы и дают информацию для расчёта её траектории. Узнать откуда она прилетела — это главная задача в таких исследованиях.

Считается, что частицы с высочайшими уровнями энергии рождаются вне нашей галактики. Их источниками могут быть релятивистские процессы в чёрных дырах или невообразимые по мощности гравитационные возмущения. Наконец, причиной появления таких частиц может оказаться неизвестная нам физика вне рамок Стандартной модели. Частица Аматэрасу может оказаться одной из таких, поскольку она пришла из области Вселенной, где нет никаких видимых источников. Для учёных это редкая возможность буквально пощупать нечто неизвестное науке, и они обещают в полной мере воспользоваться этим.

Учёные из Университета Лидса сделали открытие, которое говорит о намного более частом возникновении во Вселенной тройных звёздных систем, чем считалось ранее. За много лет до этого открытием стало повсеместное обнаружение двойных систем, которые оказались крайне важны для эволюции звёзд и Вселенной. Таким же образом теперь тройные системы становятся «новыми бинарами», заявляют учёные, а это крутой поворот в изучении звёзд.

Тройная система из звёзд Be в представлении художника. Источник изображения: University of Leeds

Источником новых данных для астрономического коллектива университета стали астрометрические данные, собранные европейским спутником «Гайя» (Gaia). Этот аппарат картографирует звёздное население нашей галактики и кое-что за её пределами. По данным «Гайи» можно построить трёхмерную динамическую карту звёздного неба и увидеть маршрут каждой звезды, включая мельчайшие отклонения звёзд от своих траекторий, что укажет на присутствие в системе невидимых объектов — от газовых гигантов до других необнаруженных там звёзд и их останков, например, нейтронных звёзд.

Астрономы искали такие искажения в траектории звёзд B и Be. Предположение строилось на том, что распространённые газовые диски у звёзд Be (напоминающие кольца у Сатурна) в основном возникают из-за перетока масс от компаньонов по системе от меньшей звезды к большей. Учёные изучали различные сценарии: от наличия близких отношений, когда искажения траекторий звёзд отчётливо видны в данных «Гайи», до далёких, когда колебания звёзд практически незаметны.

Исследователи сделали предположение, что более крупные звёзды в тройных системах высосали массу из звёзд-компаньонов и те стали слабыми и незаметными. Поэтому их гравитационное влияние на более крупных партнёров перестало различаться. Но это не отменяет того, что система осталась тройной и эволюционировала таким образом с самого начала. Если это на самом деле обстоит так, как показывает новое исследование, то звёзды эволюционируют совсем иначе, чем представляет земная наука. Звёзды Be рассматриваются как своего рода полигон для изучения эволюции звёзд вообще, и ложное понимание их эволюции как преимущественно двойных систем могло создать у учёных неправильное представление о происходящих процессах.

Углублённый анализ света от галактики, существовавшей ещё во времена рассвета Вселенной, выявил высочайший для того момента уровень металлов. Учёные пока не могут однозначно указать на источник наблюдаемых ими тяжёлых элементов. С большой вероятностью это могут оказаться неуловимые «первичные» звёзды, что делает открытие одним из самых важных в астрофизике.

Галактика GLASS-z13 — самая старейшая из всех, которые нам довелось наблюдать. Источник изображения: JWST/James O'Donoghue

Наука считает, что практически все металлы родились и могут рождаться только в звёздах. Взрывы сверхновых разбрасывают их всё дальше и шире. Все мы с вами и Земля, а также всё живое и неживое на ней когда-то были атомами, рождёнными в звёздах. Уточним, что астрофизика считает металлами всё, что тяжелее водорода и гелия.

Во время Большого взрыва появился в основном водород. Гелия было существенно меньше, ещё меньше было лития и, возможно, было исчезающее мало бериллия. Тем самым металличность Вселенной увеличивалась постепенно и достаточно предсказуемо, что позволяло представить эволюцию звёзд, галактик и всего остального. Вот только наблюдения ранней Вселенной, которые позволил проводить телескоп «Джеймс Уэбб», начинают вносить сомнение в наше понимание процессов в ней.

Обнаружение довольно впечатляющего объёма углерода в молодой (или древней относительно нас) галактике на рубеже примерно 350 млн лет после Большого взрыва стало одним из таких открытий. В галактике с красным смещением z12,5 обнаружено слишком много металлов, а углерод для астрофизиков, напомним, это металл. «Джеймс Уэбб» проводил спектроскопию объекта в течение 65 часов, что стало беспрецедентным случаем. Для такого инструмента потратить столько времени на анализ спектра от одной галактики — это роскошь, мало кому доступная.

Анализ спектра и широта присутствия углерода в свете галактики позволили предположить, что углерод присутствует именно в звёздах, а не в межзвёздном или межгалактическом газе. Увидеть сами звёзды на таком расстоянии не представляется возможным. Если нам повезёт, то такие звёзды можно будет различить в случае гравитационного линзирования. Пока же благодаря «Уэббу» можно сделать вывод, что в древней галактике звёзды оказались вовсе не девственно чисты. В таких галактиках ожидалось встретить звёзды населения III, в которых металлов быть не должно. Это первое поколение звёзд после Большого взрыва, которые известны только гипотетически.

Согласно выводам учёных, источником углерода в древнейшей галактике, скорее всего, являются звёзды населения III. Другим источником углерода в наблюдаемой галактике может быть сверхмассивная чёрная дыра. Поглощение дырой вещества может сопровождаться образованием металлов. Но эта вероятность представляется меньшей. Наконец, металлы за исключением сверхновых могут синтезироваться и выбрасываться в космос звёздами AGB (асимптотическая ветвь гигантов). Однако чтобы это происходило, звёзды AGB должны были эволюционировать значительно дольше, чем в наблюдаемом случае.

В общем, «Джеймс Уэбб» подкинул учёным очередную загадку или отгадку, которая должна подтолкнуть к лучшему пониманию эволюции звёзд, галактик и Вселенной.

В известной нам Вселенной нет ничего крупнее галактических скоплений, но как они образуются, остаётся во многом загадкой для учёных. Самый верный путь к пониманию процесса — это отыскать в ранней Вселенной зародыши скоплений или протоскопления. Одно из таких ранних образований помог найти космический телескоп «Джеймс Уэбб».

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2 / 3D News

Создание с помощью камеры NIRCam «Уэбба» глубоких снимков звёздного неба в зоне Полосы Грота помогло обнаружить там массивную и протяжённую цепочку из 20 галактик. Структура напоминает выгнутый лук длиной свыше 13 млн световых лет и шириной около 650 тыс. световых лет. Для сравнения, ширина нашей галактики Млечный путь около 100 тыс. световых лет. За свой внешний вид образование назвали «Космической лозой».

Все галактики в «Лозе» удалены от нас примерно на одинаковое расстояние и имеют величину красного смещения в районе 3,44. Это означает, что свет от них шёл к нам от 11 до 12 млрд лет или большую часть жизни нашей Вселенной, возраст которой оценивается в 13,8 млрд лет. Измеренная учёными масса этого протоскопления составила 10^10,9 солнечных, что делает его самым массивным из всех ранее обнаруженных в ранней Вселенной зародышей галактических скоплений. Сегодня масса «Лозы» может достигать 10¹⁴ солнечных масс.

Данные телескопа «Джеймс Уэбб». Источник изображения: Shuowen Jin / arXiv 2023

Две самых крупных галактики в скоплении (на снимках обозначены буквами A и E) определены как спокойные. Это означает, что процесс звездообразования в них завершился или близок к завершению. Для галактик на таких ранних этапах это удивительно, и учёные пока не могут дать этому внятных объяснений. Одним из них может быть то, что обе они пережили слияние с другими галактиками, что вызвало повышение активности звездообразования и ускоренное расходование вещества. Впоследствии именно эта пара галактик, скорее всего, стала центром галактического мегаскопления, но где оно находится сейчас — это загадка. Расширение Вселенной помогло ему затеряться в глубинах космоса, и мы уже об этом никогда не узнаем.

9 октября 2022 года зафиксирован ярчайший в истории наблюдений гамма-всплеск (GRB), энергия которого многократно превзошла все ранее наблюдаемые события такого рода. По горячим следам NASA заявило, что энергия вспышки достигла 18 ТэВ (тераэлектронвольт). Китайские учёные были с этим не согласны. В новой работе они доказывают, что мощность исторического GRB составила 13 ТэВ.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2 / 3D News

Гамма-вспышка GRB 221009A за свою исключительную яркость получила персональное название BOAT — The brightest of all time или, по-русски, «ярчайшая за всё время». Событие оказалось настолько энергичным, что все космические датчики были им ослеплены. За исключением китайского орбитального гамма-телескопа, который в этот момент проходил техническое обслуживание и работал с сильно сниженной чувствительностью. Тем не менее, данные с китайского спутника позволили оценить верхнюю границу энергии вспышки, которая оказалась ниже, чем реконструкция данных с аппаратов NASA.

В новой работе использованы данные с наземной высотной обсерватории Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), которая следит за космическими лучами, включая гамма-излучение. Данные измерений LHAASO указывают на то, что событие BOAT сопровождалось выбросом энергии на уровне 13 ТэВ, о чём учёные сообщили в статье в журнале Science Advances. Согласно современным теориям, такую энергию могла испустить звезда примерно в 20 раз больше Солнца при коллапсе в чёрную дыру.

Реконструкция данных по событию BOAT для телескопа «Ферми». Источник изображения: NASA's Goddard Space Flight Center and Adam Goldstein (USRA)

Но событие BOAT интересно также по другой причине. Впервые учёные зарегистрировали гамма-всплеск, который длился намного дольше, чем во всех остальных случаях, а их науке известно около 12 тыс. Предполагается, что вспышки порождала ударная волна, летящая сквозь вещество сброшенной звездой оболочки. Обсерватория LHAASO намерена более детально изучить данные по событию GRB 221009A, что поможет уточнить физику процесса, который явно вышел за рамки известной нам физики.

Телескоп «Джеймс Уэбб» продолжает расшатывать устои современной космологии. Очередное наблюдение обнаружило пару новых самых далёких от нас галактик, существовавших во времена ранней Вселенной. Найденные галактики сформировались всего через 300–400 млн. лет после Большого взрыва, и были обнаружены камерой ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и спектрометром ближнего инфракрасного диапазона (NIRSPec) космического телескопа JWST.

Область скопления Пандоры (Abell 2744), в которой проводил наблюдения «Джеймс Уэбб». Источник изображения: NASA

Открытие сделано благодаря эффекту гравитационного линзирования. Несмотря на всё совершенство телескопа «Джеймс Уэбб», у него есть свои пределы. Учёные выбрали для детального изучения зону вокруг массивного галактического скопления Abell 2744 примерно в 3,5 млрд световых лет от Земли. Тесное скопление галактик настолько сильно искажает пространство-время вокруг себя, что оно как линза увеличивает свет от объектов, расположенных далеко за ним.

В феврале этого года «Уэбб» провёл 30 часов наблюдений за окрестностями скопления. Были обнаружены десятки тысяч источников света, из которых астрономы отобрали 700 кандидатов на самые далёкие. Последующий спектральный анализ позволил выявить по-настоящему далёкие объекты, подтвердив величину красного смещения для каждого из них.

Наблюдение дало возможность выявить две новые самые далёкие галактики из когда-либо наблюдавшихся нашими учёными. Это объекты UNCOVER z-13 и UNCOVER z-12. Самая дальняя из этих галактик существовала уже примерно через 330 млн лет после Большого взрыва, который произошёл 13,9 млрд лет назад. Она не стала самой дальней, но расположилась на втором месте по удалённости от нас. Галактика UNCOVER z-12 обнаружена чуть позже и стала четвёртой по удалённости из обнаруженных в ранней Вселенной галактик. Подчеркнём, это уже не кандидаты. Это подтверждённые далёкие галактики.

Две новые далёкие галактики, обнаруженные «Уэббом»

Более того, из всех прежде обнаруженных ранних галактики эти две самые большие, что не менее удивительно. Одна из них напоминает «арахис», а вторая — «пушистый шар». Как они образовались так рано и успели вырасти до наблюдаемых размеров — это загадка, которую учёным ещё предстоит разгадать.

С начала 2000-х годов начались обширные астрометрические наблюдения неба, которые давали точное представление о скорости и направлении движения звёзд. Мы стали видеть окружающую нас Вселенную в динамике. Около 20 лет назад была обнаружена первая покидающая нашу галактику звезда. Оказалось, что звёзд-беглецов достаточно много и большинство из них тяжёлые, показало исследование.

Пример звезды-изгоя, создающей ударную волну при движении через межзвёздный газ. Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Существует две основные гипотезы о том, как появляются звёзды-беглецы, скорости и направления движения которых не совпадают с карусельным кружением всего остального вещества в галактике. Одна теория предполагает придание звезде импульса в результате взрыва сверхновой в двойной системе, после чего освобождённая от оков гравитации партнёра звезда улетает вдаль. Вторая теория говорит о динамическом выбросе, когда пара звёзд в тесной двойной системе пролетает мимо третьего массивного объекта, например, мимо чёрной дыры. Дыра отрывает одну из звёзд, что придаёт второй импульс движения.

Какой из сценариев доминирует, учёным остаётся только спорить. Однако группа астрономов решила выяснить наиболее вероятный из них, благо тот же астрометрический европейский телескоп «Гайя» собрал данные по миллионам звёзд в нашей галактике.

Исследователи воспользовались двумя каталогами звёзд O- и B-типа и данными «Гайи». Звёзды этих типов, включая подвид Be, массивные, молодые и горячие, отчего встречаются часто, группами и обычно в виде двойных систем. Наконец, среди обнаруженных звёзд-беглецов массивные звёзды встречаются чаще всего.

Сравнение данных «Гайи» и каталогов GOSC и BeSS позволило выявить 417 звёзд O-типа и 1335 звёзд типа Be, которые присутствовали во всех источниках. Это позволило вычислить 106 звёзд-беглецов O-типа и 69 таких же звёзд Be-типа. Процент убегающих звёзд O-типа оказался намного выше (25,4 %) чем звёзд типа B и Be (5,2 %). Иначе говоря, более массивные звёзды типа O убегают чаще и в целом движутся быстрее звёзд типа B. Благодаря данным «Гайя», к слову, в процессе исследования были обнаружены ранее неизвестные звёзды-беглецы: 42 среди звёзд O и 47 среди звёзд B и Be. Большинство из них останутся в нашей галактике, но около дюжины разогнались настолько, что со временем покинут её.

На основании полученных данных учёные сделали вывод, что сценарий динамического выброса проявляется намного чаще и более распространён во Вселенной, чем появление звёзд-беглецов в двойной системе с образованием сверхновой. Чтобы самые массивные звёзды начали лететь в произвольном направлении со сверхгалактическими скоростями, а не двигаться в кружении по диску галактики, требуется придать им столько энергии, сколько нельзя получить при разрушении двойной системы взрывом сверхновой. И это происходит намного чаще, чем считалось ранее. По самым скромным оценкам только по нашей галактике бродят порядка 10 млн звёзд-изгоев.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» продолжает поставлять удивительные данные, которые пока не поддаются научному объяснению. Новым открытием стало обнаружение очень похожей на Млечный Путь галактики всего через 2 млрд лет после Большого взрыва. Такая спиральная галактика просто не могла оказаться в том месте и в то время, заявляют астрономы. Она просто не успела бы развиться до столь совершенных форм.

Источник изображения: Luca Costantin/CAB/CSIC-INTA

После анализа изображений обсерватории «Джеймс Уэбб» международная группа учёных обнаружила туманное пятно, отдалённо напоминающее галактику. Данные перепроверили в другом диапазоне волн с помощью другого телескопа — «Хаббла». Оказалось, это было изображение спиральной галактики, которой присвоили идентификатор ceers-2112. Измерение величины красного смещения показало, что галактика ceers-2112 обнаружена через 2 млрд лет после Большого взрыва, что ранее представлялось немыслимым.

Галактика на снимках с «Уэбба» и «Хаббла» красуется как уменьшенная копия нашей галактики Млечный Путь. У неё есть все атрибуты так называемой спиральной галактики с перемычкой. Это галактики, из центра которых выходят ровные рукава из множества ярких звёзд и лишь затем завиваются спирали. В хаосе ранней Вселенной просто не успели бы появиться такие тонкие структуры из вещества и звёзд, как до сих пор считала земная наука. «Уэбб» поистине раздвинул горизонты наших знаний (или незнаний) о Вселенной и мире, в котором мы живём.

И хотя теперь, полтора года спустя после начала работы «Уэбба», учёные начали призывать с осторожностью относиться к открытиям этого телескопа в ранней Вселенной, факт остаётся фактом — этот инструмент вскрыл много неизвестного.

Группа астрономов сообщила об открытии сверхмассивной чёрной дыры (СЧД), которая образовалась всего через 500 млн лет после Большого взрыва. Никакая сверхновая в те времена не могла бы породить СЧД таких чудовищных размеров. Остаётся альтернативная версия о другом пути появления зародыша чёрной дыры, но к ней тоже есть вопросы.

Источник изображения: Chandra / JWST

Сделать удивительное открытие помог космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST). Но даже ему понадобилась помощь, чтобы заглянуть так далеко в раннюю Вселенную. Во-первых, астрономы использовали эффект гравитационного линзирования, чтобы ещё сильнее усилить свет от далёких звёзд. Во-вторых, для поиска чёрных дыр в далёких галактиках был задействован рентгеновский телескоп «Чандра» (Chandra). «Уэбб» искал подходящие галактики и измерял их красное смещение, а «Чандра» ловила рентгеновское излучение, которое чёрные дыры излучают в процессе питания веществом.

Из 11 кандидатов почти идеально (с отклонением 4 сигма) подошла галактика UHZ1 с красным смещением около 10. Она располагалась за массивным скоплением галактик Abell 2744, которое обеспечило «четырёхкратный зум». Измерения и расчёты показали, что в центре UHZ1 за слоями пыли и газа скрывается сверхмассивная чёрная дыра с массой порядка 10 млн солнечных. Масса СЧД равнялась массе всего остального вещества в галактике. Как она там выросла до таких размеров и к моменту наблюдения света от неё — это стало загадкой. Масса всех наблюдаемых в местной Вселенной чёрных дыр равна примерно 0,1 % массы вещества в галактиках, включая нашу.

Считается, что первые чёрные дыры стали появляться через 200 млн лет после Большого взрыва. Тем самым чёрной дыре в UHZ1 понадобилось всего 300 млн лет чтобы разрастись до колоссальных размеров. Обычное слияние к такому не могло привести, поскольку небольшие чёрные дыры не обладают необходимым гравитационным потенциалом. Развиться из фазы суперновой и очень и очень большой звезды в ранней Вселенной — это тоже не вариант. Такая чёрная дыра должна была бы питаться с удвоенной силой, что теоретически возможно, но практически маловероятно.

Остаётся последний вариант, который более-менее укладывается в наше понимание процессов во Вселенной. Предполагается, что зародыши СЧД могут также образовываться при коллапсе плотных газовых облаков в ранней Вселенной. В таком случае зародыш СЧД UHZ1 мог быть достаточно большим, чтобы вырасти до наблюдаемой в галактике черной дыры. Темп его роста всё ещё отвечает кормлению по пределу Эддингтона, благодаря которому мы можем рассчитать границы масс чёрных дыр. Такой объект обнаружен пока в единственном экземпляре во Вселенной, и это не позволяет говорить о тенденции.

Учёные призывают с осторожностью относиться к полученным результатам. Научное сообщество также демонстрирует осторожность к сделанному наблюдению. Так, первоначально статья об открытии появилась на сайте arxiv.org 24 мая 2023 года. В сентябре она была подвергнута очередной ревизии и только вчера её опубликовали в Nature Astronomy.

Кстати, новое и более обширное исследование по открытиям «Уэбба» в ранней Вселенной говорит о том, что данные о галактиках-переростках в те времена несколько преувеличены. Всё же, они встречаются существенно реже и не такие массивные, чем было сказано после первых наблюдений «Уэбба».

Исследователи из Австралийского национального университета (ANU) создали диаграмму с наиболее полным представлением об истории Вселенной и всех её значимых объектах от квантового мира до чёрных дыр и реликтового излучения. По словам учёных, они хотели наглядно представить устройство нашего мира и найти разгадку его зарождения.

Источник изображения: Pixabay

«Когда 13,8 млрд. лет назад Вселенная зародилась в результате горячего большого взрыва, в ней не было таких объектов, как протоны, атомы, люди, планеты, звёзды или галактики. Теперь же Вселенная полна таких объектов, — сказал ведущий автор исследования, почетный доцент Чарли Лайнуивер (Charley Lineweaver) из ANU. — Относительно простой ответ на вопрос, откуда они взялись, заключается в том, что при охлаждении Вселенной все эти объекты сконденсировались из горячего фона».

Для наглядности процесса образования всего нынешнего разнообразия объектов во Вселенной учёные построили и совместили затем два графика: первый показывал температуру и плотность Вселенной по мере её расширения и охлаждения, а второй график показывал массу и размер всех объектов во Вселенной. В результате получилась самая полная из когда-либо созданных диаграмм всех объектов во Вселенной. Результаты исследования опубликованы в последнем номере журнала American Journal of Physics и свободно доступны по ссылке.

Представленная диаграмма имеет ряд запрещённых зон. Так, объекты не могут быть плотнее чёрных дыр или оказаться настолько маленькими, чтобы в силу начали вступать законы (неопределённость) квантового мира.

На графике на стыке квантовой механики и общей теории относительности размещён наименьший возможный объект во Вселенной — инстантон или чёрная дыра планковской массы. Ниже этой точки по обоим графикам — это тайна и неопределённость. Учёные сделали предположение, что наша Вселенная могла начаться с инстантона, который имеет определенный размер и массу, а не с сингулярности, которая является гипотетической точкой с бесконечной плотностью и температурой, как считают сегодня большинство учёных.

Источник изображения: American Journal of Physics

Сама по себе диаграмма любопытна даже для неспециалистов. Благодаря логарифмическим шкалам на ней уживаются элементарные, частицы с бозоном Хиггса, вирус COVID, человек, кит, Млечный Путь, сверхмассивные чёрные дыры и другие предметы из нашей Вселенной наблюдаемые или гипотетические. Хороший комплексный взгляд на наш мир от микро до макро объектов.

Группа астрономов впервые дала оценку потенциальной угрозы биологической жизни во Вселенной со стороны килоновых — относительно нового класса космических событий, сопровождаемых направленными выбросами колоссальной энергии. Может ли килоновая убить? В статье даётся ответ на этот вопрос.

Источник изображения: Pixabay

В отличие от сверхновых, которые также способны создать угрозу для жизни выбросом энергии и вещества, килоновые возникают в процессе слияния компактных объектов в двойных системах — нейтронных звёзд, нейтронной звезды и чёрной дыры и, пока теоретически, пары чёрных дыр. При этом килоновые рождают в 1000 раз больший выброс энергии, правда, довольно направленный, в отличие от взрыва сверхновой. Килоновые начали классифицировать с 2010 года и данных по ним пока не очень много и, соответственно, до сих пор не были очерчены границы смертоносности этих явлений.

Более того, учёные проанализировали смертоностность килоновой в том случае, если мишень располагается вне оси выброса (попасть в джет — редкая «удача»). Данные получены при наблюдении события GW 170817/GRB 170817A, а также из теоретических выкладок. Расчёты и данные наблюдений показали, что для типичной килоновой угроза жизни со стороны рентгеновского излучения, образованного послесвечением, распространяется на дальность до 5 парсек (примерно 16 световых лет). Для внеосевого гамма-излучения от события смертельная угроза снижается до дальности до 4 парсек.

Наибольшая угроза для жизни от килоновой — космические лучи, ускоренные её взрывом, которые сохраняют смертоносность на удалении до 11 парсек спустя годы после взрыва. Это примерно 35 световых лет. Поскольку килоновые случаются достаточно редко, это явление практически не угрожает жизни на Земле, но может стать опорой для поиска жизни во Вселенной с учётом наблюдаемых событий. Гораздо больше опасности несёт за собой взрыв сверхновой, что происходит намного чаще и имеет сходный с килоновой поражающий потенциал. Но это если на нас не будет направлен джет. Тогда все сравнения окажутся неуместными.

Международная группа исследователей обнаружила быстрый радиовсплеск, который не может быть объяснён современными теориями. Впервые подобные сигналы зарегистрированы в 2007 году и всё ещё ждут своего объяснения. Некоторые даже считали их сигналами инопланетян, но эта теория не возобладала. Новый и необычный по силе и удалённости радиовсплеск задаёт новую загадку, и разгадать её означает продвинуться в познании тайн Вселенной.

Источник изображения: Pixabay

Событие FRB 20220610A было зарегистрировано в июне 2022 года с помощью расположенного в Австралии массива радиоантенн ASKAP (Australian Square Kilometer Array Pathfinder). Поиск в оптическом диапазоне с помощью телескопа VLT определил источник радиовсплеска — безымянную галактику, расположенную на удалении почти 8 млрд световых лет. Это стало сенсацией по целому ряду причин.

Ещё никто не регистрировал FRB (fast radio burst) так далеко. Мощность сигнала также оказалась рекордной и в 3,5 раза превысила ранее зафиксированный максимум. За несколько миллисекунд события в космос была отправлена энергия, эквивалентная сумме всех энергетических выбросов с нашего Солнца за 30 лет.

Согласно одной из теорий, быстрые радиовсплески возникают в процессе «звездотрясений». Испускающая сигнал нейтронная звезда производит его из-за смещений в своей коре, которая испытывает колоссальное давление и оттого наделяет импульс невообразимой энергией. Однако подобные процессы накладывают ограничения на яркость события, а FRB 20220610A многократно превысил все расчётные значения.

Другая теория гласит, что быстрые радиовсплески возникают в процессе столкновения высокоскоростных частиц, выброшенных нейтронными звёздами, с окружающим их веществом в звёздном ветре. Но данные по FRB 20220610A также выходят за рамки этой модели, и учёным есть над чем поломать голову.

Но и это ещё не всё. Быстрый радиовсплеск FRB 20220610A может оказать неоценимую помощь для поиска невидимого обычного вещества во Вселенной — холодных межзвёздных газа и пыли, которые не видны в оптическом диапазоне и плохо фиксируются в других, особенно на огромном от нас удалении.

Разница в спектре свободно летящего сигнала и сигнала, пробивающегося сквозь облака барионного вещества. Источник изображения: ICRAR

Дело в том, что в процессе распространения по Вселенной по мере прохождения облаков пыли и газа, радиосигнал, скажем так, расщепляется. Это похоже на появление радуги в небе, когда свет Солнца преломляется в каплях дождя. Разные длины волн отклоняются на разную величину в процессе прохождения облаков пыли и газа, которые имеют собственный электромагнитный фон и естественным образом воздействуют на электромагнитные волны в быстром радиовсплеске. Для FRB 20220610A разброс оказался нетипичным, хотя ранее подобное уже один раз фиксировалось.

Это означает, что учёным придётся учесть новый фактор при детектировании холодного межзвёздного вещества с помощью FRB. Эта «линейка» оказалась не так проста, как считалось ранее. Но тем важнее учесть все нюансы. Чем точнее будет наша математика, тем больше мы узнаем о мире, в котором живём.

Несмотря на бесконечность космических расстояний, разбросанные по Вселенной галактики не являются изолированными островками вещества. С самого рождения Вселенной между скоплениями материи тянутся нити из тёмного и обычного вещества, соединяя всё и вся единой сетью космической паутины. До сих пор такие нити наблюдались только вблизи «вселенских фонарей» — квазаров. Но теперь у учёных появился инструмент для обнаружения нитей в любом месте Вселенной.

Реконструкция космической паутины в объёме пространства. Источник изображения: Caltech/R. Hurt/IPAC

Астрофизик Кристофер Мартин (Christopher Martin) из Калифорнийского технологического института разработал методику и инструмент для непосредственного получения изображений космической паутины даже в неосвещённых уголках Вселенной, например, на ранних этапах её эволюции, когда звёзд и галактик было мало и, следовательно, было мало излучения, которое могло бы подсветить нити космической паутины. Между тем, эти нити тянутся из прошлого и трансформируются, являясь проводником вещества во Вселенной и инструментом её эволюции.

Считается, что около 60 % первичного водорода, рождённого после Большого взрыва, сосредоточено в нитях космической паутины. Они абсорбируют водород из межгалактической среды и переносят его в галактики для стимулирования в них звёздообразования. Картографирование этих маршрутов много расскажет об эволюции Вселенной в прошлом и позволит моделировать её будущее развитие. Но для этого пришлось решить одну проблему: холодные атомы водорода в межгалактической среде — это крайне слабый источник излучения, который практически невозможно было регистрировать приборами на Земле.

Последовательное детектирование космической паутины. Источник изображения: Nature Astronomy

Исследователь из Калтеха в 2019 году провёл моделирование и понял, каким образом он может обнаруживать космическую паутину даже в самых тёмных уголках Вселенной. Регистрация излучения водорода велась по линии Лайман-альфа, а фоновое излучение, которое не позволяло детектировать полезный сигнал, вычиталось в процессе сравнения сигналов с разных участков неба. Фактически сумматор выступал фильтром полезного сигнала. Так у телескопа им. Кека на Гавайях появился прибор Keck Cosmic Web Imager (KCWI).

Прибор учитывает смещение света в красный диапазон спектра, что позволяет следить за изменениями космической паутины во времени, а не только в пространстве. На основе проделанных наблюдений учёный построил реальную 3D-модель эволюции космической паутины в той области пространства, где она никогда ничем не была подсвечена — в период от 12 до 10 млрд лет назад. И это правильное решение — начинать распутывать клубок эволюции Вселенной с того момента, когда нитей было сравнительно мало.

«Мы очень рады, — сказал один из коллег астрофизика по институту, — что этот новый инструмент поможет нам узнать о более отдалённых нитях и об эпохе формирования первых звёзд и чёрных дыр».

Эксперимент на установке ALPHA-g в ЦЕРН позволил ответить на вопрос, как гравитация воздействует на антиматерию. Более ста лет назад на этот вопрос теоретически ответил Эйнштейн, но экспериментально подтвердить его слова учёные смогли только сейчас.

Источник изображения: Pixabay

К сожалению или к счастью, чуда не случилось. Эйнштейн оказался прав. Гравитация примерно одинаково воздействует как на материю, так и на её физически зеркального двойника с противоположным зарядом — антиматерию. Почему примерно? Поставленный эксперимент не дал достаточно точных измерений. Следующая модернизация установки ALPHA-g позволит на два порядка повысить точность измерений, и тогда можно будет говорить о значимых для расчётов значениях.

Точное знание о том, как гравитация воздействует на антиматерию, может стать толчком к развитию тех или иных гипотез об эволюции вещества во Вселенной. Пока в этом есть великая тайна. Примерно 13,4 млрд лет назад произошёл Большой взрыв, в ходе которого в пространстве-времени возникло поровну материи и антиматерии. В теории вещество и антивещество должно было аннигилировать при столкновении друг с другом и это привело бы к исчезновению зародыша Вселенной вскоре после его рождения. Но всё, что мы видим вокруг опровергает такой сценарий, иначе нас не было бы тоже.

Из сказанного выше следует, что вещество и антивещество могут в чём-то неуловимо для нас отличаться по ряду физических свойств, а не только по знаку заряда. Например, это могло бы быть в отношениях с гравитацией. Если бы она по-разному воздействовала на материю и антиматерию, то это могло бы объяснить, почему после рождения вещества и антивещества не произошло их взаимного уничтожения — гравитация просто развела бы их по разным углам ринга.

Воздействие гравитации на вещество на уровне системных экспериментов провёл Галилей, роняя предметы с вершины Пизанской башни. С антивеществом такое провернуть нельзя. Его можно получать на ускорителях, но на уровне сотен атомов. И всё же, даже такого мизерного количества антиматерии оказалось достаточно для оценки воздействия на него земной гравитации.

В эксперименте на установке ALPHA-g учёные собирали в вертикально расположенной ловушке атомы антиводорода. Система магнитов компенсировала электромагнитные поля, на фоне которых воздействие гравитации вообще не было бы заметно. После накопления в ловушке около сотни атомов антиводорода ловушка открывалась, и атомы покидали её вверх и вниз. Подсчёт упавших вниз атомов и оценка их характеристик, включая скорость падения (всё это — по косвенным измерениям в процессе аннигиляции материи и антиматерии), позволили определить постоянную свободного падения антиводорода. Она оказалась равна 9,8 м/с² — как и у обычного вещества.

Чтобы окончательно убедиться в одинаковом воздействии гравитации на вещество и антивещество точность измерения будет постепенно увеличиваться, что позволит отбросить массу альтернативных теорий взаимодействия гравитации и антиматерии.