Телескоп Swift обновил собственный рекорд, зафиксировав свет от самого далекого объекта во Вселенной. Объект взорвался, превратившись в черную дыру, всего через 350 млн лет после Большого взрыва.

Утром пятницы 5 февраля, в 7.18:43 по московскому времени, гамма-телескоп BAT на борту научного спутника Swift заметил резкую вспышку гамма-излучения со стороны созвездия Льва. Поток высокоэнергичных квантов нарастал около восьми секунд, а затем стал падать; через полминуты после начала небесный фейерверк в гамма-диапазоне закончился.

Меньше чем через три минуты Swift уже успел развернуться в сторону вспышки своим рентгеновским телескопом XRT и увидел новый источник рентгеновских квантов, яркость которого стремительно падала. Сомнений больше не было: это гамма-всплеск, грандиозный космический взрыв, отмечающий рождение черной дыры где-то в глубинах космоса. По всем обсерваториям мира разошлись циркуляры с призывами наблюдать GRB100205A (такое обозначение получила вспышка) в оптическом и инфракрасном диапазонах. В сообщениях уточнялось, что собственный оптический телескоп «Свифта», UVOT, не смог ничего разглядеть на месте взрыва -- ни в оптике, ни в ультрафиолете.

В плотной и теплой Вселенной

Красное смещение Астрономы измеряют расстояние с помощью величины красного смещения z, масштаба увеличения длины световых волн. Оно показывает, во сколько раз увеличился наш мир за время путешествия света. z=0 соответствует здесь и сегодня, а если z равно, скажем, трем, свет был испущен, когда Вселенная была в z+1, то есть в четыре раза меньше. Сколько это в световых годах, зависит от истории расширения Вселенной.

Похоже, неудаче маленького UVOT и многих наземных инструментов среднего калибра, пытавшихся поймать космическую вспышку, есть очень простое объяснение: GRB100205A -- рекордно далекий всплеск. По предварительным данным, его красное смещение z оценивается величиной от 11 до 13,5, а значит, черная дыра, появлению которой он салютовал, родилась всего через 300-400 млн лет после Большого взрыва. , GRB090423, пойманный тем же «Свифтом» в прошлом году, всплеснул в почти вдвое старшей Вселенной: от начала времен его отделяли 630 млн лет.

350 млн лет -- очень небольшой возраст: в это время Вселенная была в 13 раз меньше, а значит, в 2 тыс. раз плотнее, чем в наши дни! Водород и гелий, сваренные в первые три минуты после Большого взрыва, еще только стекались в растущие потенциальные ямы самых первых, карликовых галактик, а кроме водорода и гелия вокруг ничего не было. И все это было погружено в тепловую баню вездесущего реликтового излучения, температура которого была почти 40 градусов по Кельвину, а плотность -- в 25 тыс. раз выше, чем сейчас.

Впрочем, вслух астрономы пока не заявляют о новом рекорде. Массивные звезды -- а только они, по современным представлениям, способны порождать гамма-всплески и превращаться в черные дыры -- живут всего несколько миллионов лет -- совсем чуть-чуть по сравнению с оценкой возраста Вселенной на момент взрыва. Но вот как они могли родиться в ту эпоху -- в тепле, без тяжелых элементов, в галактиках небольшой плотности, -- большой вопрос. Именно поэтому ученые, с положенным им консерватизмом, пока говорят о «кандидате в гамма-всплески на z~11–13,5».

Косвенные улики

Впрочем, прямых доказательств рекордной дальности -- например спектра, в котором были бы видны линии, сдвинутые с измеренных в лаборатории позиций в 12-14 раз, -- у ученых действительно нет. Зато, как на суде против Дмитрия Карамазова, полно косвенных свидетельств.

Во-первых, уже отмеченная неспособность большинства инструментов увидеть сам гамма-всплеск (вернее его оптическое послесвечение) даже в первые часы после вспышки. Во-вторых -- подозрительно небольшое поглощение света в рентгеновском диапазоне, характерное как раз для гамма-всплесков, вспыхивающих в ранней Вселенной, когда вокруг еще было мало того вещества, которое могло бы рассеять рентгеновские лучи. В-третьих -- полное отсутствие хоть каких-то следов материнской галактики гамма-всплеска на очень глубоких изображениях, полученных наземными телескопами. Многие инструменты, участвовавшие в поисках, легко нашли бы типичные галактики даже на расстояниях в 12-12,5 млрд световых лет от Земли, однако ничего не видят.

Что выпадет В поисках самых далеких галактик астрономы применяют так называемую методику цветовых «выпадений». Она основана на том, что спектр любой галактики выглядит более или менее плавной кривой, местами изрезанной спектральными линиями, однако в ультрафиолетовой области при длине волны менее 121,6 нм, где значительно возрастает поглощение света водородом, спектр резко обрывается. При этом спектр далеких галактик, который мы принимаем на Земле, сдвинут в красную область -- за миллиарды лет путешествия по Вселенной длина волны каждого фотона увеличилась во столько же раз, как и вся наша расширяющаяся Вселенная. Чем дальше объект, тем дольше шел свет и тем больше сдвиг. Поэтому и спектр у близких галактик обрывается в ультрафиолете, у далеких -- в оптическом диапазоне, а у самых-самых дальних переезжает в инфракрасную область спектра.

Ну и, наконец, «математическое» доказательство -- впрочем, столь же доказательное, как и письмо Мити Грушеньке. Восьмиметровому телескопу Gemini North на Гавайских островах, пусть и через 2,5 часа после вспышки, но все-таки удалось навестись на место взрыва и засечь здесь быстро гаснущий объект. Однако увидеть его получилось лишь в инфракрасном диапазоне. И его блеск в фильтре K, на длине волны в 2,2 микрона, был почти в четыре раза выше, чем в фильтре H, на длине волны в 1,65 мкм.

Самое простое объяснение такому скачку -- поглощение более коротковолнового излучения резонансной линией водорода, Ly α (читается «лайман-альфа»). Только вот в лабораторной системе отсчета эта линия находится на длине волны в 0,1216 нм. Если на границу между фильтрами H и K эту линию перетащило расширение Вселенной, то в момент ее испускания наш мир должен был быть в 12-14,5 раза меньше, чем сейчас (опять же, при консервативном анализе). Отсюда и проистекает оценка красного смещения z~11–13,5.

Дело вкуса

Впрочем, против этого «доказательства» можно найти возражения. Альтернативная модель предполагает, что свет в фильтре H поглотила пыль, расположенная на красном смещении z~4. В этом случае и GRB100205A может находиться «всего» в 12 млрд световых лет от Земли -- далеко, конечно, но на рекорд не тянет.

Правда, поглощение в этом случае должно быть очень значительным, примерно в 15-20 раз, и где взять столько пыли через 1,7 млрд лет после Большого взрыва -- тоже не очень понятно. Кроме того, отсутствие на снимках какой-либо галактики, в которой могла обитать необходимая пыль, и сравнительно слабое поглощение света в рентгеновском диапазоне тоже плохо вяжутся с этим объяснением. Но тут уж надо выбирать из двух необычных гипотез ту, что наименее неправдоподобна: много пыли через 1,7 млрд лет или рождение черной дыры через 350 млн лет от сотворения мира. Пока новых данных нет, такой выбор, по сути, дело личного вкуса теоретиков.

И самое обидное, что нужные данные могут появиться еще очень нескоро. С момента гамма-всплеска прошло уже три недели, так что заметное оптическое послесвечение от него давно погасло. И теперь надо очень-очень долго копить свет, чтобы увидеть запыленную галактику на z~4. Либо еще дольше ждать, пока появится инструмент, способный разглядеть материнскую галактику GRB100205A на z больше десяти. А то и сам остаток этого взрыва -- доживем ведь когда-нибудь и до таких телескопов.

Наука

Недавно открытый небесный объект борется за звание самого удаленного от нас наблюдаемого космического объекта Вселенной, сообщили астрономы. Этим объектом является галактика MACS0647-JD , которая расположена в 13,3 миллиардах световых лет от Земли.

Вселенная сама по себе, по предположениям ученых, имеет возраст 13,7 миллиардов лет, поэтому свет этой галактики, который мы можем видеть сегодня, является ее светом с самого начала формирования космоса.

Ученые наблюдают за объектом с помощью космических телескопов НАСА "Хаббл" и "Спицер" , а также эти наблюдения стали возможными с помощью естественной космической "увеличительной линзы". Эта линза на самом деле представляет собой огромное скопление галактик, чья общая гравитация деформирует пространство-время, производя так называемую гравитационную линзу . Когда свет далекой галактики проходит через подобную линзу на пути к Земле, он усиливается.

Вот как примерно выглядит гравитационная линза:

"Подобные линзы способны так увеличить свет объекта, что это не под силу ни одному телескопу, созданному человеком , - говорит Марк Постман (Marc Postman) , астроном из Научного института космического телескопа в Балтиморе. - Без такого увеличения надо приложить титанические усилия, чтобы разглядеть такую далекую галактику".

Новая далекая галактика очень мала, намного меньше, чем наш Млечный Путь ,- сказали ученые. Этот объект, судя по свету который дошел до нас, очень молод, он пришел к нам из эпохи, когда Вселенная сама была на самом раннем этапе своего развития. Ей было всего 420 миллионов лет, что составляет 3 процента от современного возраста.

Мелкая галактика имеет ширину всего 600 световых лет, а как известно, Млечный Путь куда больше - 150 тысяч световых лет шириной. Астрономы полагают, что галактика MACS0647-JD в конечном итоге слилась с другими мелкими галактиками, образовав более крупную.

Космическое слияние галактик

"Этот объект возможно является одним из многих строительных блоков какой-то более крупной галактики, - говорят исследователи. – За последующие 13 миллиардов лет он мог пройти через десятки, сотни или даже тысячи слияний с другими галактиками или их фрагментами".

Астрономы продолжают наблюдать за еще более дальними объектами, благодаря тому, что их техники и приборы для наблюдений совершенствуются. Предыдущим объектом, который носил звание самой далекой наблюдаемой галактики, была галактика SXDF-NB1006-2, которая расположена от Земли на расстоянии 12,91 миллиардов световых лет. Этот объект был замечен с помощью телескопов "Субару" и "Кек" на Гавайях.

Астрономы нашли самый удаленный из известных объектов во Вселенной. Возраст галактики UDFy-38135539 составляет 13,1 миллиарда лет - то есть она образовалась спустя всего 600 миллионов лет после Большого взрыва. Исследователи описали обнаруженную ими галактику в статье в журнале Nature . Коротко о работе пишет New Scientist.

Впервые снимок галактики получил телескоп "Хаббл" в сентябре 2009 года. Излучение очень бледного объекта было сильно сдвинуто в красную область спектра - такое смещение характерно для древних объектов. Чем смещение больше, тем старше объект - а, значит, тем большее расстояние прошел свет от объекта до наблюдателя. Однако возможно и альтернативное объяснение - излучение с похожими спектральными характеристиками могут испускать объекты наподобие коричневых карликов, расположенные неподалеку от Солнечной системы.

Для того чтобы сделать выбор между этими двумя возможностями, астрономы провели непрерывные 16-часовые наблюдения найденного ими объекта с использованием 8,2-метрового телескопа Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили. Анализ собранных данных о спектре объекта позволил ученым установить, что это галактика, и она удалена от Земли на 13,1 миллиарда световых лет (именно столько лет потребовалось свету, чтобы добраться до оптики телескопа). Считается, что возраст Вселенной составляет около 13,7 миллиарда лет.

Согласно наиболее общепринятым гипотезам эволюции Вселенной, через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва протоны и электроны начали объединяться друг с другом и формировать водород. Еще через 150 миллионов лет начали образовываться первые галактики, и пространство между ними было заполнено водородом, поглощавшим свет звезд. Однако постепенно под воздействием излучения от светил водород расщеплялся на протоны и электроны (этот процесс называют реионизацией), и Вселенная постепенно становилась прозрачной. Считалось, что межгалактическое пространство более или менее расчистилось спустя приблизительно 800 миллионов лет после Большого взрыва.

Тот факт, что астрономы смогли увидеть галактику UDFy-38135539, означает, что реионизация шла полным ходом уже тогда, когда Вселенной было только 600 миллионов лет (в противном случае наблюдать UDFy-38135539 было бы невозможно). Расчеты авторов исследования показывают, что излучения только этой галактики было недостаточно для расчистки окружавшего пространства, поэтому астрономы предполагают, что UDFy-38135539 "помогали" соседние звездные скопления.

До сих пор самым удаленным из найденных во Вселенной объектов гамма-всплеск GRB 090423, который произошел около 13,1 миллиарда лет назад (по уточненным оценкам - около 13 миллиардов лет назад).

Используя данные с орбитального телескопа Hubble, астрономы обнаружили самый дальний объект нашей Вселенной - галактику, расположенную в 13,2 млрд световых лет от Земли.

"Мы вернулись назад во времени, подошли очень близко к первым галактикам, которые, как мы полагаем, сформировались примерно через 200 - 300 миллионов лет после Большого взрыва", - цитирует слова одного из авторов работы Гарта Иллингворта "РИА Новости" . Уникальным объектом оказалась UDFj-39546284 - рекордно далекая галактика, которая отличалась относительно низкой скоростью звездообразования. Сопоставление данных о ней с информацией о других относительно более близких и более "старых" галактиках, показало, что скорость звездообразования в галактиках всего лишь за 170 млн лет выросла в десять раз.

"Это потрясающий рост за период, который составляет лишь 1% от нынешнего возраста Вселенной", - говорит Иллингворт. По мнению ученых, эти данные соответствуют иерархической картине формирования галактик, согласно которой галактики растут и сливаются под действием гравитации темной материи. Найденная учеными галактика значительно меньше и легче, чем современные спиральные галактики. Так, наша Галактика примерно в 100 раз более массивна.

Поиски все более и более далеких космических объектов помогают астрономам заглянуть в далекое прошлое Вселенной. Из-за того, что скорость света конечна, мы видим далекие галактики такими, какими они были в далеком прошлом. Галактику UDFj-39546284 астрономы наблюдают такой, какой она была, когда возраст Вселенной составлял всего 480 млн лет.

Главным показателем расстояния до далеких галактик служит красное смещение - сдвиг линий в спектре из-за эффекта Доплера. Чем больше красное смещение, тем дальше космический объект, поскольку с расстоянием, согласно закону Хаббла, скорость убегания галактик растет. По версии авторов открытия самой далекой галактики, ее красное смещение может составлять 10,3. Однако эти данные не окончательны, так как на современном этапе развития астрономии точное измерение красного смещения - чрезвычайно трудная задача. "Пока красное смещение не измерено с помощью спектроскопических методов, она остается всего лишь кандидатом, хотя и хорошим кандидатом", - прокомментировал открытие астрофизик Сергей Попов из Астрономического института имени Штернберга.

Если показатели красного смещения открытой галактики действительно окажутся в районе 9 - 10, то объект будет признан самым древним во Вселенной. Пока же это звание удерживала галактика UDFy-38135539, расположенная в 13 млрд световых лет от Земли. Она была обнаружена в октябре 2010 г. астрономами из Европейской южной обсерватории (ESO). Красное смещение этой галактики оказалось равным 8,5549, и мы видим ее такой, какой она была примерно 600 млн лет назад.

Image caption Эта звезда погибла спустя всего 520 млн лет после Большого Взрыва

Гигантский взрыв сверхновой звезды на самом краю наблюдаемой Вселенной стал, судя по всему, самым удаленным событием, зафиксированным телескопом.

Астрономы считают, что гибель этой звезды, заснятая американской орбитальной обсерваторией SWIFT, произошла всего через 520 млн лет после Большого Взрыва, в котором родилась наша Вселенная.

Это означает, что световое излучение гибнущей звезды шло до Земли 13,14 миллиардов лет.

Результаты этого исследования публикуются в научном журнале Astrophysical Journal.

Обнаруженное явление получило обозначение GRB 090429B. Буквы GRB являются сокращением слов gamma-ray burst - всплеска гамма-излучения - так астрономы обозначают подобные объекты.

Рентгеновский снимок Вселенной

Эти вспышки гамма-излучения обычно сопровождают чрезвычайно бурные звездные процессы, например, окончание срока жизни гигантских звезд.

"Вероятно, это была огромная звезда, с массой раз в 30 больше нашего Солнца", - говорит руководитель группы исследователей доктор Антонино Куккиара из университета Калифорнии в Беркли.

Image caption Спутник Swift является совместным проектом НАСА и ЕКА

"Пока у нас нет достаточных данных, чтобы отнести эту звезду к так называемым звездам типа Популяция III, то есть к самому первому поколению звезд, появившихся в нашей Вселенной, - считает ученый, - но мы наверняка наблюдаем один из самых ранних этапов формирования звезд".

Эти вспышки происходят в течение очень короткого времени, но их послесвечение длится иногда в течение нескольких суток, что позволяет наблюдать за развитием процесса с помощью других телескопов и определять расстояние до гамма-всплеска.

Запущенный в 2004 году спутник Swift имеет возможность быстрого, менее минуты, оптического и рентгеновского отождествления всплесков. Среди его открытий - мощные, иногда многократные рентгеновские всплески в послесвечениях, а также обнаружение послесвечений еще до окончания собственно гамма-излучения.

Гонка за древностью

Астрономы соревнуются сейчас в том, кто зафиксирует самый дальний, а значит, и самый древний объект во Вселенной.

Известный космический телескоп "Хаббл" имеет гораздо более мощные инструменты для наблюдения за такими отдаленными объектами, которые были доставлены на его борт американскими астронавтами в 2009 году.

Как возникает гамма-всплеск (ГВ)

Ученые НАСА, которые изучают снимки, сделанные телескопом "Хаббл", уже наблюдали галактики, которые находятся примерно на таком же расстоянии от нас, что и гамма-объект GRB 090429B.

Астрономы интересуются этими крайне отдаленными звездами и звездными скоплениями, поскольку они расширяют наше понимание механизмов эволюции Вселенной.

Особое внимание привлекают звезды первого поколения. Эти яркие голубые переменные возникли из молекулярных облаков, которые образовались на ранних этапах вскоре после Большого Взрыва.

Эти огромные пульсирующие звезды имели очень краткий и бурный цикл развития - всего несколько миллионов лет, порождая при своей гибели тяжелые элементы.

Их жесткое ультрафиолетовое излучение приводило к реионизации окружающих их туманностей, состоящих в основном из водорода, срывая электроны с атомов, что в свою очередь порождало ту крайне разреженную межгалактическую плазму, которая окружает нынешнее поколение звезд в нашей Галактике.

Как говорит доктор Куккиара, гамма-всплеск GRB 090429B вряд ли является одной из самых первых звезд Вселенной. Вполне вероятно, что еще до этого существовал несколько поколений звезд, о которых мы пока ничего не знаем.

В создании орбитального телескопа Swift принимали участие британские и итальянские инженеры. На его борту работает британская рентгеновская камера, фиксирующая гамма-всплески, а также компоненты ультрафиолетового оптического телескопа.