Астрономы из Техасского университета A&M и Техасского университета в Остине обнаружили самую далёкую из известных нам галактик. Согласно данным спектрографии, она находится на расстоянии примерно 30 млрд световых лет от Солнечной системы (или от нашей Галактики, что в данном случае не столь существенно, потому что диаметр Млечного пути - всего лишь 100 тыс. световых лет).
Самый дальний объект во Вселенной получил романтичное название z8_GND_5296.
«Восхитительно знать, что мы - первые люди в мире, кто увидел его, - сказал доктор наук Вител Тилви (Vithal Tilvi), соавтор научной работы, которая сейчас опубликована в онлайне (для бесплатного просмотра научных работ используйте сайт sci-hub.org).
Обнаруженная галактика z8_GND_5296 сформировалась через 700 млн лет после Большого взрыва. Собственно, в таком состоянии мы и видим её сейчас, потому что свет от новорожденной галактики только сейчас дошёл до нас, пройдя расстояние в 13,1 млрд световых лет. Но поскольку в процессе этого Вселенная расширялась, то на данную минуту, как показывают расчёты, расстояние между нашими галактиками составляет 30 млрд световых лет.
В новорожденных галактиках интересно то, что там идёт активный процесс формирования новых звёзд. Если в нашем Млечном пути появляется по одной новой звезде в год, то в z8_GND_5296 - примерно по 300 в год. То, что происходило 13,1 млрд лет назад, мы можем спокойно сейчас наблюдать в телескопы.
Возраст далёких галактик можно определить по космологическому красному смещению, вызванному в том числе эффектом Доплера. Чем быстрее удаляется объект от наблюдателя, тем сильнее проявляется эффект Доплера. Галактика z8_GND_5296 показала красное смещение 7,51. Около сотни галактик обладают красным смещением больше 7, то есть они сформировались до того, как Вселенной исполнилось 770 млн лет, и предыдущим рекордом было 7,215. Но лишь у нескольких галактик расстояние подтверждено по данным спектрографии, то есть по спектральной линии Лайман альфа (о ней ниже).
Радиус Вселенной составляет как минимум 39 млрд световых лет. Казалось бы, это противоречит возрасту Вселенной в 13,8 млрд лет, но противоречия нет, если учесть расширение самой ткани пространства-времени: для этого физического процесса не существует ограничения по скорости.
Учёным не совсем понятно, почему не удаётся наблюдать другие галактики возрастом до 1 млрд лет. Удалённые галактики наблюдают по чёткому проявлению спектральной линии L α (Лайман альфа), которая соответствует переходу электрона со второго энергетического уровня на первый. Почему-то у галактик младше 1 млрд лет линия Лайман альфа проявляется всё слабее. Одна из теорий состоит в том, что как раз в то время происходил переход Вселенной из непрозрачного состояния с нейтральным водородом в полупрозрачное состояние с ионизированным водородом. Мы просто не можем увидеть галактики, которые скрыты в «тумане» из нейтрального водорода.
Как же z8_GND_5296 смогла пробиться через туман нейтрального водорода? Учёные предполагают, что она ионизировала ближайшие окрестности, так что протоны смогли прорваться. Таким образом, z8_GND_5296 - самая первая из известных нам галактик, которая вышла из непрозрачного месива нейтрального водорода, наполнявшего Вселенную в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва.
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.
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.