Взрыв проломил вселенскую стену

Астрономам удалось пробить «стену» в нашей Вселенной, пройти сквозь которую не удавалось десятки лет: они увидели, как всего через 600 миллионов лет погибла звезда. Раз она погибла, перед этим она жила, что уже само по себе многое говорит о таком раннем прошлом Вселенной.

В попытках обнаружить самый далекий, а значит, и самый ранний во Вселенной объект астрономы никак не могли перебраться через своего рода «водораздел» – 800 миллионов лет от Большого взрыва. В этот момент наш мир был в 8 раз меньше, чем сейчас, и вместе со всей Вселенной излучение от таких далеких источников за последующие 12,8 миллиарда лет эволюции мира расширилось в те же 8 раз, превратившись из, например, ультрафиолетового, в инфракрасное – то есть передвинувшись из-за одной границы видимого диапазона за противоположную.

Астрономы в таком случае говорят, что красное смещение источника этого света составляет z=7, то есть длина волны увеличилась в z+1 раз. Во многом именно это обстоятельство и определяло наш «горизонт» – искать объекты еще более «красные», чем z=7, очень сложно по техническим причинам. Однако есть и еще один фактор – прежде Вселенная была очень молода, и кто знает, в какой момент в ней появились источники излучения, которые мы могли бы видеть и которые снова сделали наш мир ярким после сотен миллионов лет темноты.

В прошлый четверг космический аппарат Swift, предназначенный для поиска гамма-всплесков, прорвал этот «водораздел».

В 11.55 по Москве он зафиксировал очередную вспышку гамма-излучения, получившую по дате взрыва обозначение GRB 090423. Как выяснилось позднее, это был взрыв звезды, случившийся всего через 600 миллионов лет после Большого взрыва, около 13,1 миллиарда лет назад, когда Вселенная была в 9,2 раза меньше своих нынешних размеров: красное смещение объекта оказалось z=8,2. Предыдущий подтвержденный рекордсмен – далекая галактика – находится на красном смещении z=6,96, а самый далекий гамма-всплеск, найденный тем же Swift'ом в сентябре прошлого года, находился на z=6,7.

Событие с самого начала показалось подозрительным. Избыточное количество фотонов гамма-диапазона в течение примерно 10 секунд приходило из области неба, расположенной в направлении на созвездие Льва. Повернувшись в ту же область своими рентгеновским и оптическим телескопами, Swift увидел быстро угасающий рентгеновский источник, но в оптике и ультрафиолете там было пусто – свет самого взрыва поглотили миллиарды световых лет газа, лежащих на пути от нас к источнику.

В течение первого же часа после вспышки к работе подключились наземные телескопы. Хотя первичный источник к тому моменту уже угас, газ, сметенный ударной волной от взрыва, только начинал светиться. В Европе в это время уже был день, а вот наблюдения этого «послесвечения» на Гавайях, которые произвел британский инфракрасный телескоп UKIRT, лишь еще более усугубили подозрения: объект был неплохо виден почти во всем инфракрасном диапазоне, но вот на самых коротких ИК-волнах около 1000 нм его спектр резко обрывался. Ученые догадались, что дело в огромном красном смещении – все излучение на коротких волнах «съел» нейтральный газ, но здесь эти «короткие» волны за счет расширения вселенной растянулись до 1000 нм. Наблюдатели на UKIRT оценили z величиной больше 8.

Окончательно красное смещение смогли установить итальянские астрономы, сумевшие вечером получить полноценный спектр объекта с помощью телескопа имени Галилея на канарском острове Ла Пальма.

Объект находился на z=8,2, а значит, свет от него шел к нам более 13 миллиардов лет. Чуть позднее, когда наша планета повернулась к созвездию Льва Южной Америкой, эти данные подтвердились на спектрах, полученных с помощью очень большого телескопа VLT Европейской южной обсерватории в Чили.

Понять возбуждение астрономов по поводу GRB090423 несложно. Во-первых, он позволил им заглянуть за «проклятый» барьер в z=7. Хотя пять лет назад группа французских астрономов объявила об обнаружении карликовой галактики на z=10, изображение которой было увеличено гравитационной линзой, эти данные независимо так и не были подтверждены, да и сами авторы – наверное, неспроста – перестали настаивать на этом результате.

Во-вторых, сам гамма-всплеск – это наверняка взрыв массивной звезды, который закончился образованием черной дыры. Такие звезды живут недолго, какие-то миллионы лет (против миллиардов у нашего Солнца), но именно они обогатили межзвездную среду тяжелыми элементами, из которых состоит и наша планета, и мы сами. Судя по всему, это «обогащение» началось уже минимум через 600 миллионов лет после Большого взрыва.

Наконец, в-третьих, сам этот взрыв и многочисленные подобные ему взрывы, которые, несомненно, удастся обнаружить в будущем, помогут «подсветить» Вселенную и помочь разобраться в ее устройстве в эпоху, которую астрономы все еще называют «темной».

ТЕКСТ: Артём Тунцов

ФОТО: S.Immler/Swift/NASA

Как ты раздалась, Химико!

ТЕКСТ: Артем Тунцов ФОТО: M.Ouchi

В глубоком космосе найден гигантский объект, само существование которого ставит под вопрос современную теорию образования галактик. Всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва облако светящегося водорода Химико было размером почти с нашу гигантскую Галактику.

По современным представлениям, современные галактики образовались в результате иерархического скучивания – последовательных слияний поначалу маленьких скоплений темной материи, к которым стекался и обычный газ, во все более крупные образования. Мини-гало сливались в карликовые галактики, те падали на галактики покрупнее, они объединялись в крупные скопления и продолжали сливаться, сливаться и сливаться в центральных частях этих скоплений.

Собственно, этот процесс продолжается и по сей день – например, через миллиарды лет Млечный Путь и Туманность Андромеды сольются в единое целое, а затем к ним присоединятся и оставшиеся галактики Местной группы. Получится гигантская эллиптическая звездная система, вокруг которой не останется ничего: далекие галактические скопления, постепенно ускоряясь в наполненном темной энергией мире, уйдут за горизонт, и ничто более не будет напоминать о бурном прошлом нашей Вселенной.

Пока же такие воспоминания остались, астрономы активно изучают эту историю – не только с помощью теоретического моделирования, но и с помощью прямых наблюдений.

На данный момент наблюдателям удалось дотянуться в прошлое образования галактик на 13 миллиардов лет – точнее, на 12,9 миллиарда лет, соответствующие примерно 700–800 миллионам лет после возникновения Вселенной. Ищут первые галактики, как правило, как Ly_α-эмиттеры, то есть по их излучению в спектральной линии Ly_α («лайман-альфа») – резонансной линии лаймановской серии в спектре водорода, соответствующей переходу с первого возбужденного на основной, невозбужденный уровень этого простейшего атома. Длина волны этой линии – 121,6 нм, и располагается она в ультрафиолетовом диапазоне, однако расширение Вселенной за 13 миллиардов лет путешествия фотонов в космосе превращает их к моменту приема земными телескопами в инфракрасные кванты с длиной волны почти в 1000 нм.

Собственно, именно так Ly_α-эмиттеры на границе Вселенной и находят: снимают небо в узком диапазоне длин волн, соответствующем линии Ly_α, покрасневшей в 7–8 раз, и все, что проявится на фоне неба, принимают за кандидатов в далекие молодые галактики – они излучают в этой линии чуть не половину всего своего света, а все остальные, более близкие объекты – крохотную часть, а потому теряются на фоне неба. (Кстати, именно этот фон и ограничивает наблюдения 13 миллиардами лет истории – дальше Ly_α уходит в область, где ее очень сложно наблюдать с Земли; когда в космос полетят инфракрасные телескопы имени Гершеля и Джеймса Уэбба, должны открыться и большие глубины.)

Ультрафиолетовая линия Ly_α в спектре далёкого объекта, смещённая расширением Вселенной в инфракрасную область. Показаны интегральный спектр (в произвольных единицах над средним уровнем фона) и панорамный спектр вдоль щели. // M.Ouchi et al., 2009 Astrophysical Journal

До сих пор все подтвердившиеся Ly_α-кандидаты в основном лили воду на жернова общепринятой теории иерархических слияний. «Зародыши» галактик, которые мы видим в прошлом, – действительно небольшие образования, которые зачастую даже не удается разложить на отдельные пиксели и в самые большие телескопы. Их линейный размер, который, как правило, оценивается косвенно, – тысячи световых лет, то есть в десятки раз меньше крупных современных галактики. Вероятно, 13 миллиардов лет назад были объекты и поменьше, похожие на современные карликовые галактики, но их мы просто не замечаем с современными телескопами. Ничего же более крупного пока не встречалось.

Тем удивительнее открытие ученых из Японии, США, Канады и Великобритании под руководством Масами Оути из обсерватории Института имени Карнеги.

Они нашли целую Ly_α-«кляксу», которая уже 12,9 миллиарда лет назад была размером почти с нашу Галактику.

При том что последняя считается гигантом и по современным меркам. Представьте себе, что вы заказывали ящик вагонки, чтобы сколотить собачью будку, а вам на двор выгружают стволы баобабов. Примерно такие же ощущения были и у Оути с коллегами, когда они обнаружили Химико – так, в честь полумифической правительницы из раннего периода японской государственности, главный автор статьи назвал загадочный объект из раннего прошлого галактик. Работа принята к публикации в майском выпуске The Astrophysical Journal и доступна в архиве электронных препринтов Корнельского университета.

По признанию Оути, поначалу ученые даже сомневались, стоит ли тратить наблюдательное время на проверку этого кандидата, найденного на японском телескопе «Субару», – слишком уж он большой и наверняка представляет собой что-то близкое, думали члены команды. Однако спектр объекта, полученный помощью 10-метрового телескопа имени Кека, подтвердил – мы имеем дело с далекой галактикой, размер которой мы можем проследить минимум на 55 тысяч световых лет. Скорее всего, она продолжается и дальше, просто дальше она сливается с фоном неба.

Что это такое – ученые пока не имеют понятия.

По расчетам астрономов, чтобы поддерживать такое свечение, нужны звезды общей массой от 10 до 50 миллиардов солнечных, а также темпы превращения газа в звезды в несколько десятков масс Солнца в год – все в пределах одной галактики. Это существенно больше, чем теория считает возможным для объектов в таком далеком прошлом Вселенной. Сгустки темной материи масштабов Химико в то время хоть и редко, но встречались, но столько звезд – это все-таки слишком много.

Наверное, самое радикальное предположение, которое можно сделать в данном случае, – что сама теория иерархических слияний не верна. До второй половины 1980-х годов была более популярна модель, в которых крупные галактики образовывались разом, при сжатии крупных облаков газа; обычно эту теорию связывают с именами Алана Сэндиджа и Дональда Линден-Белла. Такой процесс может происходить гораздо быстрее, чем последовательность индивидуальных слияний, и не исключено, что Химико – как раз его проявление.

Помочь с объяснением природы удивительного объекта может и наличие черной дыры в его центре – падающий на нее газ обычно разогревается и ярко светится, что могло бы заменить значительную часть звезд. Могло бы помочь и наличие гравитационной линзы, увеличившей наблюдаемые размеры загадочной древней галактики по пути следования света к земным телескопам. Правда, ни следов присутствия черной дыры в центре Химико, ни галактики-линзы на ее фоне ученые не видят. Разобраться с его природой должны новые телескопы.

Так поднималась заря Вселенной

Астрономы увидели «Вселенскую зарю» – самое далёкое прошлое Вселенной, когда в ней появлялись первые звёзды. Пока до этих времён не может дотянуться ни один телескоп, так что пришлось полагаться на компьютерные модели. Как выяснилось, первые ярчайшие галактики неплохо маркируют крупнейшие скопления тёмного вещества.

В истории нашего мира в целом тоже были тёмные времена. После стремительного развития в первые несколько минут после Большого взрыва Вселенная спокойно остывала на протяжении 300 тысяч лет, пока плотный и горячий светящийся туман не рассеялся. В этот момент произошла так называемая рекомбинация – вещество и свет «расцепились друг с другом» и Вселенная стала прозрачной.

 Показать / Скрыть текст

И дальше – всё, концерт закончился. В жизни нашего мира началась тёмная эпоха. Оторвавшись от вещества, фотоны унесли вдаль информацию о крохотных неоднородностях в плотности вещества, и сейчас мы называем этот свет реликтовым излучением, или микроволновым фоном. Вещество же продолжило остывать и медленно скучиваться к областям с поначалу чуть-чуть, а затем всё более и более выделяющейся средней плотностью.

В этой темноте Вселенная провела несколько десятков, а то и сотен миллионов лет, пока в ней не зажглись первые источники излучения.

Что это были за фонари, пока никто не знает. Возможно, первые звёзды, которые из-за специфического химического состава, почти начисто лишённого тяжёлых элементов, могли быть очень массивными. Возможно, квазары – чёрные дыры в центрах зарождающихся галактик, светившие за счёт поедания падавшего на них газа. Последнее время даже говорят о звёздах, энергию которым давала аннигиляция тёмной материи в их центрах; пока, впрочем, это маргинальная гипотеза, так как нет разумных доводов в пользу преимущественного скучивания именно тёмного вещества.

Так или иначе, учёным известно, что какие-то источники света появились. Изучая упомянутое выше реликтовое излучение, учёные нашли признаки его повторного взаимодействия со свободными электронами (флуктуации поляризации излучения). Эти электроны появились как раз тогда, когда первые светила начали облучать окружающий их нейтральный газ. Электроны снова отделились от ядер – началась так называемая реионизация.

Эпоха реионизации – передний край современной астрофизики. Учёные полагают, что первые светила выдували своего рода «ионизированные пузыри» в окружающем их нейтральном газе – до тех пор, пока все эти пузыри не слились воедино и всё межгалактическое пространство не стало вновь ионизованным. Это состояние межгалактической среды сохраняется до сегодняшнего дня, поскольку вот уже многие миллиарды лет беспрерывно светят галактики.

Но вот когда появились первые галактики? Как они выглядели? И как выглядел весь наш мир в то время?

Ещё 40 лет назад английские астрономы Брюс Партридж и Джеймс Пиблз предсказали, что новорождённые галактики должны очень ярко светиться в так называемой линии Ly_α («Лайман-альфа») водорода. Это ультрафиолетовое излучение с длиной волны 121,6 нм – первая линия спектральной серии Лаймана, соответствующей переходу атома водорода со второго на первый, самый нижний, энергетический уровень.

Впрочем, к настоящему времени это когда-то ультрафиолетовое излучение давно стало куда более длинноволновым. С тех пор как возникли первые звёздные системы, Вселенная расширилась минимум десятикратно. Вместе с ней «пухли» и сами фотоны, длина волны которых увеличивалась – это так называемое космологическое красное смещение. И сейчас астрономы ищут линию Ly_α уже даже не в видимом, а в инфракрасном диапазоне света. И вот уже лет 15 как систематически находят.

Однако до сих пор учёным не удаётся пробиться вглубь времён дальше, чем примерно на 12,9 миллиардов лет, когда самой Вселенной было меньше 800 миллионов лет. Причины этому, скорее всего, технические – дальше линия Ly_α уходит в спектральную область, в которой слишком сильно мешает фоновое излучение неба. С запуском новых инфракрасных инструментов вроде космических телескопов имени Гершеля (это должно случиться уже в апреле) или Джеймса Уэбба (через несколько лет) наверняка будут найдены и более молодые Ly_α-галактики.

Но некоторым астрономам всё-таки не терпится. Учёные из Чили и Великобритании под руководством Альваро Орси

выяснили, как выглядела Вселенная, когда появлялись самые-самые первые галактики. И даже нарисовали кое-какие картинки.

Астрономы скомбинировали результаты сложнейших компьютерных расчётов, которые воспроизводили постепенное образование массивных структур за счёт скучивания тёмного и обычного вещества, с полуаналитическими моделями образования звёзд и их излучения. Работа учёных опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Серия моделей, сопровождающих эту публикацию, показывает, как зажигались первые крупнейшие галактики. Расчёты показывают, что первые Ly_α-галактики (показаны кружками) появились меньше чем через 600 миллионов лет после Большого взрыва, когда Вселенная была в 10 раз меньше, чем теперь. Большинство «первопроходцев» возникли в узлах «космической паутины» тёмной материи, показанной на рисунке оттенками зелёного.

Эта паутина продолжала уплотняться последующие миллиарды лет, притягивая к себе всё больше и больше газа и образуя всё больше ярких молодых галактик. Астрономы предлагают портреты Вселенной в возрасте 1 и 1,9 миллиардов лет, когда мир был примерно в 6 и 4 раза меньше, чем сейчас, и портрет современной Вселенной.

Видно, что эпоха гигантов прошла задолго до появления человека.

Если бы мы жили всего через миллиард лет после Большого взрыва, небо было бы усыпано ярчайшими звёздными системами. Сейчас же они стали очень и очень большой редкостью. Утешением может служить, наверное, только то обстоятельство, что образование галактики – кумулятивный процесс, и хотя быстрее всего галактики росли задолго до нас, сейчас они больше, чем когда бы то ни было.

Кстати, на картинках вещество показано в так называемых «сопутствующих» координатах, которые не меняются для частиц, участвующих в общем космологическом расширении Вселенной, поэтому все изменения, которые мы видим в иллюстрациях, связаны с «настоящим» движением вещества под действием сил притяжения. Реальные же размеры этих структур – те, которые можно было бы измерить линейкой, скажем – от первого изображения к последнему увеличились в 9,5 раз.

Для Орси и его коллег эти картинки – лишь средство для изучения тёмной материи.

Саму загадочную субстанцию мы не видим (на то она и тёмная), и о скучивании тёмного вещества в далёком прошлом Вселенной судят по своего рода маркерам – ярким объектам. Предполагается, что они отслеживают среднюю плотность вещества – что тёмного, что светлого, – но это предположение протестировано далеко не для всех маркеров.

Моделирование Ly_α-галактик, которое провели Орси и его коллеги, помогло астрономам установить, что статика их скучивания мало отличается от таковой для тёмной материи, а значит, эти объекты – отличные маркеры. Учитывая, что в глубинах Вселенной яркие галактики увидеть проще всего, у астрономов появилось ещё одно надёжное средство для изучения невидимой, но такой важной тёмной материи.

ТЕКСТ: Артём Тунцов

ФОТО: Alvaro Orsi/ICC/Durham