Свет первых звёзд рассказал о плотности звёздного населения Вселенной

Свет первых звёзд рассказал о плотности звёздного населения Вселенной

Александр Березин 

Группа под руководством Аниты Реймер закончила обработку данных, полученных от космического гамма-телескопа «Ферми». Учёным удалось вычленить из них следы излучения первых звёзд ранней Вселенной.

Наблюдение первых сверхмассивных звёзд, в сотни раз тяжелее нашего Солнца, — серьёзная проблема. Да, они в огромное число раз ярче Солнца, да только мы находимся от них не просто далеко, а очень, очень далеко, к тому же нас разделяют газ и другие звёзды. Свет первых звёзд поглощается этим самым газом и затмевается всеми мыслимыми светилами, что существовали после них и находятся сейчас между земным наблюдателем и объектом его научной страсти.

Условно говоря, «Ферми» смотрит на дно колодца, наполненного триллионами звёзд, в попытке увидеть следы света самых нижних. (Здесь и ниже иллюстрации NASA / DOE / Fermi LAT. Collaboration.)

Напрямую увидеть такой свет при сегодняшнем уровне техники невозможно, но выход всё равно есть. Блазары, релятивистские струи сверхмассивных чёрных дыр, испускают интенсивное гамма-излучение весьма высоких энергий, в три гигаэлектронвольт и выше. Гамма-кванты такого излучения могут взаимодействовать с квантами излучения меньшей энергии и при этом порождать пары «электрон — позитрон» — процесс, обратный аннигиляции электрон-позитронных пар, вызывавшей взрывы первых сверхновых. Разумеется, при этом количество таких гамма-квантов высоких энергий снижается, и весьма значительно, образуя «провалы» в спектрах излучения блазаров. Причём провалы эти будут тем сильнее, чем дальше от нас блазар, — а значит, экстраполируя интенсивность «пропажи» гамма-квантов, мы можем составить представление об интенсивности звёздного света, исходящего от блазаров на любой интересующей нас дистанции:



Исследуя спектральные провалы в излучении, доходящем до нас от 150 блазаров Вселенной, которые расположены на удалении от 0,4 до 9,5 млрд световых лет, Анита и команда смогли количественно измерить такое снижение, сигнализирующее об оптическом и УФ-излучении самых первых светил. Сравнивая данные от блазаров на различном удалении от нас, астрономы получили как информацию об излучении празвёзд, так и представление о том, насколько сильно такое излучение поглощается межзвёздной и межгалактической средой между нами и ранней Вселенной.

Среду, по которой распространялся свет первых звёзд, астрономы сравнивают с туманом. Чем толще его слой, тем меньшая часть гамма-лучей от блазаров доходит до наблюдателей.

Анализ света первых звёзд принёс примерные цифры плотности всех звёзд в пространстве Вселенной (увы, без учёта инфляционного расширения пространства) — ведь их свет также в некоторой степени мешал гамма-лучам блазаров дотянуться до «Ферми». Они казались относительно низкими: всего 1,4 звезды на 100 млрд кубических световых лет. Чтобы вам было легче представить такую плотность, выразим её так: в среднем (без инфляции) от одной звезды до другой 4 150 световых лет. Для сравнения напомним, что в непосредственных окрестностях Земли такие расстояния значительно меньше, а плотность выше. Даже в относительно бедных звёздами (в сравнении с ядром) спиральных рукавах Млечного Пути, где проживаем и мы, одну звезду от другой отделяют жалкие 3–4 световых года (от Солнца до ближайшей звезды, к примеру, всего 4,3 световых года). Но это не значит, что плотность звёзд здесь в 1 000 раз выше: на единицу объёма их вокруг Солнца больше в миллиард раз. Межгалактические пустоши, похоже, и в самом деле сравнительно голы...

Отчёт об исследовании удостоен публикации в журнале Science.

Подготовлено по материалам НАСА.