Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» продолжает срывать покровы и расширять границы знаний. Новое наблюдение показало, что на заре Вселенной было необъяснимо много углерода, который, согласно нашим гипотезам, не мог там появиться в фиксируемых объёмах. Благодаря новым открытиям учёные получают новые данные для уточнения теорий эволюции звёзд, галактик и Вселенной.

Редкая звезда типа Вольфа — Райе, которая «пылит» не хуже сверхновых. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO

Как сообщили учёные Кембриджского университета (Великобритания) в своей статье в журнале Nature, углеродная пыль в больших объёмах обнаружена в галактиках на рубеже 800 млн лет после Большого взрыва. Углерод и другие тяжёлые атомы (по представлению астрофизиков, кроме водорода и гелия тяжёлые все элементы) рождаются только в горниле звёзд и в виде пыли могут быть представлены преимущественно в одном случае — когда звезда превратится в сверхновую и развеет свою оболочку по окружающей Вселенной. Исходя из этого, на отметке 800 млн лет не должно было быть углерода и всего остального в заметных объёмах, поскольку звёзды просто не успели бы проэволюционировать до нужных кондиций и процессов.

Наблюдения «Уэбба» опровергли устоявшееся в научной среде мнение. Спектральные линии углерода абсолютно чётко прослеживаются во многих галактиках вблизи временной границы на уровне одного миллиарда лет после Большого взрыва. Это означает, что похожие химические процессы шли повсеместно и с одинаковой скоростью, и явно не так, как мы предполагали. Эти данные внесут значительные коррективы в модели эволюции звёзд и в наше понимание этих процессов.

«Наше обнаружение углеродистой пыли на красных смещениях 4–7 позволяет существенно ограничить модели и сценарии производства пыли в ранней Вселенной», — пишет группа специалистов под руководством космолога Йориса Витстока (Joris Witstok) из Кембриджского университета (Великобритания).

Впрочем, для обнаруженной странности с углеродом есть объяснение. Согласно одной из гипотез, первые звёзды во Вселенной были сверхмассивными. Такие звёзды эволюционируют намного быстрее, чем звёзды меньшей массы. Это также объясняет, почему мы до сих пор не видели ни одной из первых звёзд (они относятся к так называемому III населению). Все они превратились в сверхновые очень и очень рано и, следовательно, могли создать углерод и другие металлы в то время, куда наши инструменты ещё не могут заглянуть.

Учёные из Австралии обнаружили редкого ультрахолодного коричневого карлика, излучающего радиоволны. Во Вселенной таких меньше десятка на сотню. И он оказался самым холодным за всю историю наблюдения за подобными карликовыми звёздами. На его поверхности холоднее, чем в огне обычного костра на Земле.

Солнце, маленькая обычная звезда, коричневый карлик, Юпитер, Земля. Источник изображения: University of Sydney

Звезда с каталожным номером T8 Dwarf WISE J062309.94-045624.6 находится на расстоянии около 37 световых лет от Земли. Она была открыта в 2011 году астрономами из Калифорнийского технологического института (США). Температура на её поверхности всего 425 °C, что даже ниже, чем на поверхности Венеры, и более чем в 10 раз меньше, чем на поверхности Солнца.

Коричневые карлики являются промежуточным звеном между самыми маленькими звёздами с термоядерными реакциями и газовыми планетами-гигантами, такими как Юпитер. У коричневых карликов термоядерные реакции не идут, поэтому они тусклые в видимом диапазоне и в целом излучают мало энергии. Радиус данной звезды составляет от 0,65 до 0,95 радиуса Юпитера. Её масса изучена недостаточно хорошо, но звезда массивнее Юпитера как минимум в четыре раза, но не более чем в 44 раза. Солнце, например, в 1000 раз массивнее Юпитера.

«Очень редко можно встретить ультрахолодные звёзды типа коричневого карлика, дающие радиоизлучение. Это связано с тем, что их динамика обычно не создаёт магнитных полей, генерирующих радиоизлучение, которое можно обнаружить с Земли, — сказал ведущий автор исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal Letters. — Обнаружение этого коричневого карлика, излучающего радиоволны при столь низкой температуре, является интересным открытием».

Наши знания об эволюции звёзд очевидно не полные. Уточнять их могут только открытия, которые выходят за рамки известных явлений. Открытие активного в радиодиапазоне коричневого карлика с самой низкой в истории наблюдений температурой поверхности как раз относится к таким явлениям. И оно гарантированно обогатит земную науку новыми данными, которые сделают Вселенную немного понятнее для нас.

Первый год наблюдений космической обсерватории «Джеймс Уэбб» принёс множество открытий, включая обнаружение самых древних галактик, появившихся на самой заре нашей Вселенной, когда ей было всего 300 млн лет. Группа учёных поставила под сомнение это открытие, заявив, что эти объекты могут быть звёздами из тёмной материи — первыми, которые человечество увидело в свои инструменты.

Источник изображения: Pixabay

Наши знания о Вселенной очень и очень неполны. Значительную часть из них представляют теоретические модели. Наблюдения, особенно с помощью самого современного оборудования, позволяют подтвердить или опровергнуть ту или иную теорию. Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба стала таким инструментом, который позволил заглянуть в эпоху детства и юности Вселенной. Инфракрасные датчики «Уэбба» способны уловить свет, который летел к нам свыше 13 млрд лет, и поэтому ушёл в инфракрасный диапазон — длина волны банально растянулась во время этого эпического полёта и стала невидима в оптическом диапазоне.

Инструменты «Уэбба» обнаружили три объекта возрастом от 300 до 400 млн лет после Большого взрыва — это JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0. Спектральный анализ излучения этих объектов показал, что им действительно столько лет, как на это указывает величина их красного смещения. Фактически, это одни из самых молодых галактик во Вселенной, масса которых находится в районе 100 млн солнечных масс. Однако учёные Космин Илие (Cosmin Ilie) и Джиллиан Паулин (Jillian Paulin) из Колгейтского университета и Кэтрин Фриз (Katherine Freese) из Техасского университета в Остине поставили под сомнение это открытие и опубликовали научную работу, в которой обосновали альтернативную версию идентификации этих объектов.

Согласно математическому моделированию учёных, все три открытых объекта — это звёзды из тёмной материи. Для гипотетических звёзд III-го населения (таковые пока не наблюдались) масса в 100 млн солнечных масс была бы нормой. Наука предполагает, что первые звёзды в нашей Вселенной должны отличаться от наблюдаемых нами звёзд, и в этом свете объекты JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0 вполне могут оказаться звёздами, а не галактиками. Первыми звёздами.

Вещество этих звёзд также может отличаться от вещества в наблюдаемых звёздах. В нашей Вселенной мы видим в звёздах процесс термоядерной реакции, когда водород превращается в гелий. В первых звёздах веществом может быть тёмная материя. Вместо реакции синтеза такие звёзды горят в процессе реакции аннигиляции частиц и античастиц тёмного вещества. Теория это допускает, хотя мы пока не имеем понятия, что такое эта тёмная материя, кроме разве что почти полной уверенности, что это действительно частицы, а не поле, например.

К сожалению, чувствительности «Уэбба» не хватает, чтобы обнаружить линии гелия в столь отдалённых от нас по времени объектах. В таком случае мы могли бы точно узнать, идут ли в них термоядерные реакции или нет, и сказать, «тёмные» звёзды это или обычные молодые галактики. Остаётся надеяться на моделирование, которое, кстати, очень удачно может объяснить и появление сверхмассивных чёрных дыр (звезда в 100 млн масс Солнца может сразу коллапсировать в сверхмассивную чёрную дыру), и наличие неуловимого звёздного населения III, и присутствие тёмной материи и много чего ещё, на что официально признанная астрофизическая теория развития Вселенной пока не может дать убедительного ответа.

Международная группа учёных рассказала об обнаружении нового класса звёзд, представляющих собой недостающее звено в эволюции двойных систем, в конце жизни которых происходит столкновение нейтронных звёзд.

Источник изображений: uni-heidelberg.de

Считается, что при сопровождающем такое столкновение взрыве — килоновой — возникают условия для формирования элементов тяжелее железа: серебра, золота и платины, которые не могут возникать в звёздных ядрах. Поэтому слияния нейтронных звёзд жизненно важны для распространения тяжёлых элементов во Вселенной. Недостающим звеном эволюции килоновых являются входящие в двойные системы звёзды, внешние слои водорода которых поглощаются звездой-компаньоном. «Пострадавшая» при этом процессе звезда остаётся с обнажёнными плотными горячими слоями гелия, образовавшегося в результате синтеза водорода.

Астрономам уже известно о существовании малых и, напротив, массивных обнажённых звёздах (звёздах Вольфа — Райе), но они либо слишком малы, либо слишком велики, чтобы оказаться в системах, производящих килоновые. Ранее не удавалось обнаружить гелиевые звёзды с массой от двух до восьми солнечных. Из-за этого даже выдвигалась гипотеза о «разрыве масс гелиевых звёзд» и возникали вопросы, могут ли модели жизненного цикла массивных звёзд быть ошибочными. Теперь же международной группе учёных под руководством доцента Университета Торонто Марии Друт (Maria Drout) удалось обнаружить 25 возможных примеров объектов, представляющих это недостающее звено эволюции.

Обнажённые гелиевые звезды промежуточной массы начинают жизненный цикл как гиганты с массой от 8 до 25 солнечных. Они находятся в двойных системах с компаньонами, которые постепенно захватывают их внешние слои. Когда у такой звезды заканчивается топливо для ядерного синтеза, она производит взрыв — сверхновую, при котором выбрасывается относительно небольшое количество вещества, но остаётся ядро в виде нейтронной звезды. В этот момент они меняются местами в паре, и уже новая нейтронная звезда начинает поглощать своего компаньона, который тоже в какой-то момент производит сверхновую.

Эволюция двойных систем с обнажёнными звёздами

Образуется двойная система нейтронных звёзд, состоящая из пары тесно связанных «мертвецов», излучающих при вращении вокруг друг друга гравитационные волны. Эти гравитационные волны уносят с собой момент импульса двойной системы, нейтронные звёзды закручиваются по спирали всё быстрее, пока они не столкнутся и не произведут килоновую. Но для обнаруженных учёными объектов этот сценарий располагается ещё в отдалённом будущем.

Астрономы предполагают, что есть причина, по которой обнаружить обнажённые звёзды промежуточной массы так трудно. Свет, излучаемый ими в видимом диапазоне, перебивается светом сжигающих водород компаньонов. Чтобы обойти это ограничение, исследователи начали искать их в ультрафиолетовом диапазоне, и поиски начали с расположенных неподалёку от Млечного Пути карликовых галактик — Большого и Малого Магеллановых Облаков. В результате удалось обнаружить 25 объектов, которые произведут сверхновые и пары нейтронных звёзд с последующим слиянием.

Одна из таких звёзд сильно отличается от того, что ожидали увидеть учёные: она пока ещё не полностью растеряла внешний водородный слой, и если подобный механизм характерен для других объектов промежуточной массы, то они могут казаться намного больше и холоднее, чем есть на самом деле. Это значит, что звёзды нового класса, возможно, всё время прятались у всех на виду.

Три года назад в центре нашей галактики астрономы обнаружили четыре необычных объекта, которые выглядели как гигантские облака газа и пыли, но вели себя как звёзды. Первые два объекта с такими же свойствами были открыты там же около 20 лет назад. Вместе их стали называть «объектами G». Многолетний сбор данных позволил сделать обоснованное предположение о природе загадочных образований.

Объекты G в представлении художника. Источник изображения: Jack Ciurlo/UCLA

В журнале Nature вышла статья, в которой астрономы объяснили вероятную природу объектов G. Первые два из них были открыты в начале нулевых годов и получили названия G1 и G2. Объекты G3, G4, G5 и G6 были обнаружены в 2020 году. Все они «обитают» в центре нашей галактики Млечный Путь и вращаются вокруг сверхмассивной звезды Стрелец А* (Sgr A*). Впрочем, орбиты первых двух объектов сильно отличаются от орбит четырёх других — они ближе к круговым, тогда как остальные объекты движутся по сильно вытянутым орбитам с периодом до 1600 лет, а минимальный орбитальный период объектов G при этом составляет 170 лет.

За первые годы наблюдений сложилось впечатление, что объекты G — это гигантские облака из пыли и газа до 100 а.е. в поперечнике. Однако максимальное сближение объекта G2 с чёрной дырой в 2014 и последующий уход от неё показали, что «облако» повело себя как компактный объект. Если бы это был молекулярный газ (водород), чёрная дыра полностью поглотила бы его с соответствующим выбросом энергии после аккреции. Но этого не произошло. При сближении с чёрной дырой объект стал вытянутой формы, а после удаления вновь приобрёл прежний вид.

По сумме полученных данных астрономы предположили, что объект G2 может быть продуктом слияния двух массивных звёзд в ранее двойной системе. Двойные звёзды могли врезаться друг в друга в процессе эволюции системы, а также под влиянием гравитации сверхмассивной чёрной дыры. Собственно обнаружение шести объектов с похожим поведением в окрестностях Стрельца А* как бы намекает о большой вероятности подобного развитии событий. Столкновение двух массивных звёзд теоретически способно создать одно ядро — звезду — окружённое колоссальным пузырём из газа и пыли.

Орбиты известных объектов G. Источник изображения: Anna Ciurlo/Tuan Do/UCLA Galactic Center Group

В центре галактики обычно массивное звёздное население и двойных звёздных систем там тоже довольно много, чтобы подобные столкновения случались довольно часто и, особенно, в присутствии сверхмассивной чёрной дыры, гравитация которой провоцировала бы такие события. Поэтому неудивительно, что астрономы обнаружили «деревья в лесу при наблюдении за лесом», правда, таких «деревьев» они раньше не видели, а может просто не замечали по незнанию.

Возможно многие из наблюдаемых нами звёзд родились не в процессе обычной эволюции от зародыша протозвезды, а возникли в процессе гибели двойных звёздных систем после слияния звёздных пар. Первые шесть обнаруженных объектов G могут стать толчком к изменениям в теории эволюции звёзд и это важно, поскольку все наши базовые знания о Вселенной строятся на математических моделях и если они в чём-то неверны, то это скажется в области фундаментальной физики и, так или иначе, затронет многие области науки и техники.

На Земле все привыкли к переработке отходов, однако никто не представлял, что такое может происходить в космосе. Международная группа учёных под руководством астрономов Шиву Чжан (Shiwu Zhang) и Чжэн Цай (Zheng Cai) из Университета Цинхуа в Китае нашла доказательства того, что огромная галактика внутри ещё большей туманности под названием MAMMOTH-1 собирает материал из пространства вокруг неё, чтобы породить новые звезды.

Источник изображения: NASA

Материал туманности содержит элементы, образованные вспышками сверхновых звёзд, которые, как считается, произошли внутри галактик. Это означает, что галактика, которую исследовательская группа называет G-2, в настоящее время формирует звезды из материала, который ранее был выброшен в межгалактическое пространство либо самой галактикой, либо другой близлежащей. «Моделирование показало, что рециркуляция газа — повторное образование газа, который ранее был выброшен из галактики — может поддерживать звёздообразование в ранней Вселенной», — говорится в исследовании, опубликованном в прошлом месяце в журнале Science.

В туманности MAMMOTH-1 в изобилии присутствует сырье для звёздообразования, а наблюдения с телескопов «Subaru» и «Keck II» показали, что из туманности в одну из галактик внутри неё проистекают три газообразных потока. MAMMOTH-1 — это особенно огромная туманность, которая оправдывает своё название. Потоки газа из этой туманности простираются на поразительные 100 килопарсек (325 000 световых лет). Эти потоки могут обеспечить любую галактику всем необходимым для рождения нового поколения звёзд.

Исследовательская группа создала кинематические модели галактик и туманности, чтобы увидеть, как именно движутся газообразные потоки. Оказалось, что потоки закручиваются по спирали внутрь галактики, что, по их мнению, является ещё одним доказательством наличия огромного количества материала, который может быть переработан в новые звезды. Наблюдения на телескопах Subaru и Keck II показали, что эти потоки светились эмиссионными линиями, указывающими на присутствие водорода и гелия, чего и следовало ожидать. Но в них также присутствовало значительное количество углерода. Присутствие углерода показывает, что облако содержит более тяжёлые элементы, которые, скорее всего, произошли от давно погибших звёзд.

В ходе наблюдений за MAMMOTH-1 было обнаружено ещё кое-что: два потока газа, направляющиеся к притягивающей их галактике, исходят из одного и того же квазара. Квазары образуются, когда сверхмассивные черные дыры в центре галактик поглощают достаточно материала, чтобы испустить струи вещества и радиоактивное излучение. Эти струи могут выбрасывать материал из галактики целиком.

Исследователи определили, что этот квазар, скорее всего, расположен не в той же галактике, которая притягивает материал. Таким образом, похоже, что это случай, когда одна галактика перерабатывает материал, выброшенный другой.

Около 20 лет назад в нашей галактике впервые была обнаружена одна из так называемых «убегающих» звёзд, скорость которых превышает галактическое притяжение. Это заставит такие звёзды рано или поздно покинуть галактику. Впоследствии астрономы обнаружили ещё несколько таких звёзд и продолжают находить новые. Среди четырёх новых открытий найдены два рекордсмена и один абсолютный чемпион, который движется на скорости в четыре раз выше галактической.

Источник изображения: Pixabay

Сегодня доминирует теория, что убегающие звёзды возникают после термоядерного взрыва белого карлика — это класс сверхновых Ia. Обычные сверхновые возникают после коллапса более массивных звёзд на закате их эволюции, тогда как сверхновые типа Ia появляются после накопления белым карликом критической массы.

Эту массу белый карлик ворует у звезды-партнёра по двойной системе. Если это лёгкий водород, то термоядерный взрыв происходит как обычно, но если вторая звезда по системе такой же белый карлик, то от него можно получить в основном более тяжёлый гелий и тогда происходит двойной термоядерный взрыв. Сначала термоядерная реакция возникает в оболочке, а затем происходит вторичная детонация ядра звезды. Это процесс называется Dynamically Driven Double-Degenerate Double-Detonation или D⁶.

«Убегающие» звёзды, как считается, появляются в результате двойной детонации белых карликов. Двойной термоядерный взрыв придаёт второй звезде в паре достаточное ускорение, чтобы та в итоге вышла за пределы галактики. Предполагалось, что в нашей галактике Млечный путь около 1000 таких звёзд. Часть из них могли приблудиться из других галактик, благо их скорости это позволяют. Но точно определить количество летящих в межзвёздном пространстве блуждающих звёзд было сложно.

Свежие данные европейского астрометрического спутника «Гайя» (Gaia) позволили обнаружить четыре новых гиперскоростных звезды, две из которых оказались рекордсменами. Это J1235, движущаяся на относительной скорости 1694 км/с, и J0927 — летящая относительно Солнца на огромной скорости 2285 км/с.

Новое открытие с учётом ранее обнаруженных звёзд-беглецов в количестве 10 штук, позволило уточнить модель появления таких объектов и ещё прочнее связать их со сверхновыми типа Ia, что, в свою очередь, позволило по-новому рассчитать скорость рождения таких звезд. Скорость их появления оказалась хорошо согласованной со скоростью рождения сверхновых типа Ia. Поскольку сверхновые этого типа хорошо видны в телескопы и, более того, они являются «стандартными маяками» для определения расстояний в галактике, можно рассчитать, сколько всего в нашей галактике носится звёзд с безумной скоростью.

Расчёты показывают, что таких звёзд может быть миллионы, просто значительная часть из них — это слабосветящиеся объекты, и они пока не обнаружены. На этом фоне возникают опасения, что одна из таких пока необнаруженных звёзд может внезапно оказаться на пути Солнечной системы с весьма неприятными последствиями для Земли и нас с вами.

«Если значительная часть сверхновых типа Ia порождает звезду D⁶, то галактика [Млечный Путь], вероятно, запустила в межгалактическое пространство более 10 млн таких звезд, — пишут исследователи. — Интересным следствием этого является то, что должно существовать большое количество слабых, близких [к нам] звезд D⁶, запущенных из галактик по всему объёму пространства включая тот, в который входит Солнечная система».

Исследование было представлено в журнале Open Journal of Astrophysics и доступно на сайте arXiv.

Международная группа учёных во главе с Луисом Колиной (Luis Colina) из Испанского астробиологического центра провела при помощи телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) исследование галактики GN20, в которой наблюдается вспышка звездообразования — это явление, вероятно, было спровоцировано столкновением с другой галактикой.

Составное изображение галактики GN20, объединяющее источник ультрафиолетового излучения (обозначен синим), холодную пыль (зелёный), молекулярный газ (оранжевый) и звёзды (фиолтетовый). Источник изображения: arxiv.org

GN20, расположенная на расстоянии 12 млрд световых лет от Земли, стала одной из первых подробно изученных астрономами галактик с активным звездообразованием. Она расположена в протоскоплении — области Вселенной, где позже сформируется скопление галактик. Учитывая расстояние, она наблюдается в то время, когда Вселенной было всего 1,8 млрд лет. Скорость звездообразования составляет здесь примерно 1860 масс Солнца в год. Галактику окружает слой газа диаметром около 46 тыс. световых лет, а из звездообразующего вещества уже сформировался гигантский вращающийся диск.

Галактики с активным образованием звёзд окружены плотными облаками пыли и газа, которые схлопываются в плотные объекты, а из них появляются звёзды — к сожалению, это затрудняет наблюдение. Такие облака поглощают видимый свет, но для инфракрасного излучения они препятствием не являются, поэтому «Джеймс Уэбб» хорошо подходит для этой цели. Наблюдение за GN20 производилось при помощи прибора MIRI (Mid-Infrared Instrument) в период с 23 по 24 ноября 2022 года.

Астрономы обнаружили, что у GN20 есть окружённое газовой оболочкой плотное яркое ядро, где сгруппировано множество звёзд — в одной только этой внутренней структуре скорость звездообразования составляет 500 масс Солнца в год, и данный процесс продолжается уже 100 млн лет. Диаметр ядра составляет менее 2600 световых лет, а газовой оболочки — около 23 тыс. световых лет. Примечательно, что центр газовой оболочки смещён относительно центра звёздной области, что, вероятно, свидетельствует о недавнем столкновении GN20 с другой галактикой. Деформация в газовой оболочке могла быть порождена гравитационным воздействием при прохождении галактик мимо друг друга или эффектом их слияния. Подобные взаимодействия часто считаются причиной активизации процессов зведообразования в галактиках.

Учёные делают вывод, что GN20 в конечном итоге станет массивной галактикой, напоминающей галактики из Местной группы, в которую входит Млечный путь, а процесс образования звёзд в ней сойдёт на нет.

Расположенная в Чили Европейская южная обсерватория представила изображение звёздных яслей, составленный из более миллиона фотографий неба. Уникальность снимка не только в годах сбора информации для него, но также в способности передать видимый и невидимый человеческому глазу инфракрасный свет. Без последней возможности мы не могли бы заглянуть вглубь облаков из космической пыли, где и рождаются молодые звёзды. Любуйтесь!

Нажмите, чтобы увеличить. Источник изображений: ESO

Данные о нескольких регионах звездообразования собрал обзорный телескоп VISTA. У него небольшое зеркало — всего 4,1 м, но широкое — на три полных Луны — поле обзора. Это позволяет за ночь сделать снимки неба всего Южного полушария. Телескоп введён в строй в 2009 году. Он выдаёт колоссальный объём информации. Инструмент такого рода способен выявлять быстро происходящие явлений от вспышек сверхновых до астероидов и комет в Солнечной системе. Его затмит только телескоп им. Веры Рубин, когда начнёт работать в следующем году.

Инфракрасное изображение области Lupus 3

«На этих изображениях мы можем обнаружить даже самые слабые источники света, например, звёзды, гораздо менее массивные, чем Солнце, открывая объекты, которые никто раньше не видел, — сказал Стефан Мейнгаст (Stefan Meingast), астроном из Венского университета в Австрии и ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics. — Это позволит нам понять процессы, которые превращают газ и пыль в звёзды».

Инфракрасное изображение объекта HH 909 A в Хамелеоне

Звёзды образуются, когда облака газа и пыли сжимаются под действием собственной гравитации, но детали того, как это происходит, не до конца понятны. Сколько звёзд рождается из облака? Насколько они массивны? Сколько звёзд будут иметь планеты? Наблюдения с помощью VISTA позволяет собирать данные в наилучшей доступной динамике. Мы сможем видеть, как отдельные звёзды покидают место рождения и это сделает оценки их параметров наиболее точными.

Область Корона в видимом свете

Данные VISTA дополнят данные европейского астрометрического спутника «Гайа» (Gaia). У «Гайи» только работа в видимом диапазоне. Она не может заглянуть внутрь облаков из пыли и газа. Оба инструмента помогут создать наиболее полный и точный каталог объектов в нашей галактике и даже за её пределами, и это даст основу для множества новых открытий.

Международная группа учёных изучила гигантскую туманность, которая располагается среди скопления молодых галактик и поглощает выброшенное последними вещество. Процесс наблюдается в области, возраст которой составляет всего 3 млрд лет после Большого взрыва, то есть в весьма молодой вселенной (возраст Вселенной оценивается в 13,8 млрд лет). Это является очередным свидетельством того, что галактики формируют звёзды, обмениваясь веществом с ближайшим окружением.

Художественное изображение формирования скопления галактик в ранней Вселенной. Источник изображения: ESO/M. Kornmesser

Ранее галактики независимо от размера считались плавающими в космической пустоте островами материи, но последние исследования показали, что их окружают огромные облака газа и пыли, которые трудно увидеть. Сейчас превалирует мнение, что эти облака являются частью гигантской космической сети, включающей в себя и тёмную материю — она связывает галактики, обеспечивая их водородом, из которого формируются новые звёзды и галактики.

Недавно учёные обнаружили, что такие облака играют ключевую роль в переработке вещества, помогая запускать так называемые галактические фонтаны. Погибающие со взрывами сверхновых массивные звезды выбрасывают в пространство колоссальные объёмы вещества, которое иногда вылетает за пределы галактик и образует ореолы горячего газа над и под их дисками. Согласно одной из теорий, облака горячего газа, которые простираются на тысячи световых лет за пределы галактики, охлаждаются и «проливаются дождём» обратно на неё, за счёт чего продолжается звездообразование. Эта гипотеза объясняет, почему в галактиках этот процесс идёт долгое время, несмотря на кажущиеся ограниченными запасы вещества.

Обсерватория Кека. Источник изображения: keckobservatory.org

Моделирование допускает возможность такой рециркуляции галактик, но подтвердить этот процесс непросто — галактики ориентированы по-разному, и наблюдать космический дождь действительно сложно. Прорыва удалось добиться при наблюдении в телескопы Кека и «Субару» на Гавайях туманности «Мамонт-1» (MAMMOTH-1) — протогалактики почти в 11 млрд световых лет от Земли. Туманность была открыта в 2017 году, но последние её изображения показывают, что она поглощает вещество из ближайших окрестностей через как минимум три газовых потока — эти потоки подсвечивают фрагмент космической сети, соединяющей галактики и их ближайшее окружение. При этом два потока указывают на квазар — яркий объект со сверхмассивной чёрной дырой, о присутствии которой в этой туманности только подозревали.

Учёные также обнаружили, что потоки вещества вокруг туманности богаты углеродом, который может формироваться только внутри звёзд, образующих из водорода и гелия металлы — так в астрономии называют все элементы тяжелее водорода и гелия. Присутствие углерода в туманности, размер которой составляет 300 тыс. световых лет, подтверждает гипотезу об активной системе галактической рециркуляции, при которой богатый металлами газ становится строительным материалом для формирования нового поколения звёзд. Этот газ охлаждается быстрее первозданного водорода, повышая тем самым эффективность звездообразования.

Свету требуется продолжительное время, чтобы преодолеть больше расстояние, и мы видим туманность «Мамонт-1» такой, какой она была 11 млрд лет назад. Размер группы галактик, к которой она принадлежит, тогда был 50 млн световых лет, но к настоящему моменту она, вероятно, ужалась до 1 млн. Для сравнения группа галактик, в которую входит наш Млечный Путь, имеет размер 10 млн световых лет. В Млечном Пути тоже есть галактические фонтаны, но астрономы точно не знают, сколько их.

Наблюдения и расчёты показывают, что Вселенная расширяется, и в каждый момент времени это происходит с одинаковой скоростью в наблюдаемой области и далеко за её пределами. Точнее, так должно быть в теории, но на практике нужный для расчёта скорости коэффициент — постоянная Хаббла — имеет два разных значения в зависимости от метода его вычисления. Это парадокс, и учёные сделали его ещё острее.

Цефеида RS Puppis, сфотографированная «Хабблом». Источник изображения: NASA, ESA

Постоянная Хаббла рассчитывается либо с опорой на реликтовое излучение, либо по данным наблюдений с использованием «космической линейки» — разного рода галактических и внегалактических естественных маяков. Разница в данных получается примерно чуть больше 5,6 (км/с)/Мпк (километра в секунду на мегапарсек или примерно на 3,26 млн световых лет). Казалось бы, мелочь. Но из-за этой «мелочи» математически точную модель многих процессов эволюции Вселенной нельзя построить, включая расстановку точек в поисках тёмной материи и энергии.

Используя данные реликтового излучения — оставшегося после Большого взрыва микроволнового излучения в ранней Вселенной — учёные с помощью наблюдения со спутника «Планк» вычислили, что постоянная Хаббла должна быть 67,4 ± 0,5 (км/с)/Мпк. Наблюдения за звёздами дали иной результат — 73,0 ± 1,0 (км/с)/Мпк, за что в своё время была выдана Нобелевская премия. Возник парадокс, названный «напряжённостью Хаббла». Либо учёные ошибаются в наблюдениях, либо строят ошибочные модели эволюции Вселенной.

Группа астрономов с факультета физики Федеральной политехнической школы Лозанны провела углублённый анализ таких переменных звёзд, как цефеиды. Это звёзды переменной светимости, характеристики которых настолько хорошо поняты, что они играют роль ближних маяков во Вселенной. Это основа «лестницы расстояний» — методики оценки удалённости астрофизических объектов. Эта основа служит для поддержки другой ступеньки — сверхновых в далёких галактиках. Вспышки сверхновых и ряд других данных как раз дают базу для расчёта постоянной Хаббла в наблюдаемой Вселенной. Но начинается всё с цефеид.

Свежий релиз данных астрометрического спутника Gaia позволил учёным заново откалибровать цефеиды в нашей галактике. Это означает, что «космическая линейка» повысила точность до рекордных значений — до погрешности менее ±0,9 %. Это до предела укрепило постоянную Хаббла на отметке 73,0 ± 1,0 (км/с)/Мпк. Вероятность ошибки ничтожна. Если такая же точность будет достигнута в результате измерения постоянной Хаббла по реликтовому излучению, то наше представление о механизме развития и жизни Вселенной придётся менять.

На удалении около 730 световых лет от нас учёные обнаружили экзопланету размерами с Юпитер, но с поражающей воображение плотностью. Замеры и расчёты показали, что инопланетный мир TOI-4603b имеет массу около 13 масс юпитеров, то есть планета состоит из материала, ощутимо более плотного, чем свинец.

Рождение планеты из протопланетного диска по мнению художника. Источник изображения: ESO/L. Calçada

Экзопланета TOI-4603b относится к небольшой, однако важной категории открытий, которое не укладывается в наши знания о Вселенной и её развитии. Именно подобные вещи движут вперёд земную науку. По своим характеристикам TOI-4603b вышла на границы массы и размера между планетой и коричневым карликом, что открывает возможность лучше понять эволюцию этих звёзд.

«Это одна из самых массивных и плотных транзитных планет-гигантов, известных на сегодняшний день, — пишет группа астрономов под руководством Аканши Кханделвал (Akanksha Khandelwal) из Лаборатории физических исследований в Индии, — и ценное дополнение к популяции из менее чем пяти массивных близких планет-гигантов в области перекрытия планет с высокой массой и коричневых карликов с низкой массой, что необходимо для понимания процессов, ответственных за их формирование».

Экзопланета TOI-4603b, как уже ясно, расположена довольно близко к своей звезде и вращается вокруг неё с периодом 7,25 суток. Её плотность в три раза больше плотности Земли и в 9 раз больше плотности Юпитера. Об открытии астрономы подготовили статью для журнала Astronomy & Astrophysics Letters и разместили препринт на сайте arXiv.

Учёным давно понятно, какую предельную массу может иметь планета. Если масса превысит этот показатель, давление и температура в её ядре запустят реакцию ядерного синтеза и планета превратится в звезду. Минимально необходимая для этого масса звезды должна быть около 85 масс Юпитера. С этого момента водород начнёт превращаться в гелий.

Считается, что для планеты верхний предел массы составляет от 10 до 13 юпитеров. От этой границы до запуска ядерного синтеза лежит промежуток образования коричневых карликов — звёзд, в которых ядерный синтез не запускается, но может плавиться тяжёлый изотоп водорода — дейтерий. В принципе, коричневые карлики образуются так же, как звёзды из протозвёздного диска. Но одно из главных замеченных отличий в эволюции коричневых карликов и звёзд в том, что они почти всегда находятся на удалённых орбитах. Существует необъяснимый провал в отсутствии пар из звезд и коричневых карликов на дистанции ближе 5 а.е. (или ближе, чем пять расстояний от Земли до Солнца).

Открытие TOI-4603b в тесной паре со своей звездой и массой близкой к массе, за которой начинается классификация в сторону коричневого карлика — это ценное открытие в малоизученной области, которое может много дать науке об эволюции звёзд и Вселенной.

Экзопланета TOI-4603b была открыта транзитным методом по провалу в блеске звезды — она с заданным периодом проходила по её диску и на это время снижала светимость, что дало данные о радиусе экзопланеты. Наблюдение за «колебаниями» звезды в этой паре — определение её радиальной скорости в процессе движения вокруг общего центра масс — позволили вычислить массу экзопланеты и её плотность.

Расчёты показали, что масса TOI-4603b в 12,89 раз превышает массу Юпитера, а её радиус в 1,042 раза больше радиуса Юпитера. Тем самым средняя плотность экзопланеты составила 14,1 г/см³. Для сравнения, плотность Земли составляет 5,51 г/см³. Плотность Юпитера равна 1,33 г/см³, а плотность свинца — 11,3 г/см³.

Пограничное состояние экзопланеты, её близость и короткий орбитальный период вокруг звезды подталкивают к раскрытию механизмов эволюции и миграции коричневых карликов — в область знаний, где пробелов больше, чем знаний.

Центр Млечного Пути — самая враждебная среда нашей галактики, где любому веществу суждено быть съеденным сверхмассивной чёрной дырой в зоне её досягаемости. В каком-то смысле — это Дикий Запад Млечного Пути, пограничье. Тем удивительнее открытие зарождающейся звезды в зоне активности чёрной дыры. Там не должно быть условий для образования звёзд, но она там родилась и продолжает расти.

Центр нашей галактики в инфракрасном диапазоне. Источник изображения: NASA/SOFIA/JPL-Caltech/ESA/Herschel

Некоторое время назад астрономы обнаружили сгусток межзвёздного газа и пыли в виде кометного хвоста недалеко от чёрной дыры Стрелец А* (Sgr A*), который получил название X3. Каково же было их удивление, когда внутри был выявлен объект, оказавшийся молодой звездой. Звезду X3a внутри облака X3 помогли обнаружить множественные наблюдения в инфракрасном и инфракрасном ближнем диапазоне. Только эти излучения пробивали толстую газопылевую оболочку вокруг молодой звезды.

Анализ излучения показал, что физико-химический состав и строение объекта X3a характерны для молодой звезды. Причём родилась она по астрономическим меркам за мгновение до обнаружения — всего несколько десятков тысяч лет назад. В зоне нахождения звезды-младенца условий для её рождения не было — слишком близко чёрная дыра и слишком велико её влияние на окружающую среду, а рождаться звёзды могут только в холодном межзвёздном газе без интенсивного света в ультрафиолетовом диапазоне.

Учёные предположили, что звезда была рождена в другом месте и постепенно мигрировала туда, где её обнаружили. В принципе, у астрономов есть на примете место, где эта звезда могла родиться, и где могли также родиться другие звёзды, хотя центр галактики — не самый лучший дом для проживания звёздного населения.

Более того, младенческая звезда по мере движения в сторону чёрной дыры подъедала всё на своём пути и разрослась до гигантских размеров, если сравнивать с нашим Солнцем. Её радиус в 10 раз больше радиуса Солнца, а масса больше в 15 раз. Светимость же X3a превышает светимость Солнца в 24 тыс. раз. Впрочем, для звёзд-гигантов динамика роста выглядит обычной для столь юного возраста.

В целом объект X3a будут изучать более пристально, поскольку его существование и расположение так близко к сверхмассивной чёрной дыре бросает вызов нашему пониманию не только звездообразования, но и функционирования чёрных дыр.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) прислал снимок шарового звёздного скопления NGC 2031, заставив учёных задаться очевидным вопросом: почему так много звёзд в нём светятся голубым цветом? Звёзды в шаровых скоплениях могут иметь разные размеры и возраст, но в случае с NGC 2031 эти параметры никак не соотносятся с цветом.

Источник изображения: nasa.gov

NGC 2031 находится за пределами Млечного Пути в Большом Магеллановом Облаке — небольшой галактике-спутнике нашей галактики, которая располагается в Южном полушарии и действительно напоминает облако. Шаровое скопление находится в области высокой плотности галактики. Оно содержит и старые объекты, хотя голубые звёзды обычно светят очень ярко и умирают относительно молодыми.

Учёные предполагают, что такое обилие голубых объектов можно объяснить, например, искажением цветовой картины другими звёздами, которые находятся вне скопления. Есть и другой вариант: старые звёзды могут объединяться и формировать так называемые «голубые отставшие» или «страгглеры». Это могло произойти из-за того, что объекты скопления оказались слишком близко друг к другу за счёт действия гравитационных сил.

Наконец, ещё одной странностью NGC 2031 является присутствие здесь 14 пульсирующих звёзд-цефеид. Но их мерцание помогло учёным оценить расстояние до скопления — оно находится в 150 тыс. световых годах от Земли.

Немецкие астрономы обнаружили «бедное старое сердце» Млечного Пути — звёзды, которые существовали, когда галактика была молодой. Для этого они проанализировали данные европейского космического телескопа Gaia, расположенного в Китае спектроскопа LAMOST и полученного американским телескопом SDSS небесного обзора APOGEE.

Источник изображения: mpia.de

Возраст звезды выдаёт металличность — относительная концентрация элементов тяжелее водорода и гелия, причём «металлами» в данном случае условно называют неметаллические в традиционной химии элементы, в том числе углерод, азот и кислород. Эти элементы формируются в процессе ядерного синтеза, и когда звезда умирает, например, производя сверхновую, эти вещества высвобождаются и оказываются в облаках межзвёздного газа, из которых образуются более богатые металлами другие звезды. Таким образом, металличность старых звёзд ниже, чем новых.

В рамках нового исследования учёные Института Макса Планка искали самые бедные металлами звёзды в Млечном Пути, используя данные Gaia, LAMOST и APOGEE — эти инструменты дают самое полное представление о звёздах нашей галактики и об их составе. Для поиска самых старых звёзд они обучили алгоритм искусственного интеллекта (ИИ) распознавать данные звёзд, наблюдаемых Gaia — и в особенности тех, чья металличность была описана APOGEE. Когда ИИ вышел на необходимую точность, ему поручили основную часть исследования, в результате которого обнаружились звёзды наиболее возрастной группы.

Эту группу назвали «бедным старым сердцем» из-за большого возраста и низкой металличности. Они содержат большие объёмы неона, кислорода и кремния, которые образуются при бомбардировке атомов альфа-частицами или изотопами гелия-4. Предполагается, что они сформировали первоначальное ядро Млечного Пути — прочие же экземпляры предположительно появились после слияния с карликовыми галактиками.