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.

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).

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.

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.

"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.