Представляя себе далекие звезды, мы обычно думаем о расстояниях в десятки, сотни или тысячи световых лет. Все эти светила принадлежат к нашей Галактике - Млечному Пути. Современные телескопы способны разрешить звезды в ближайших галактиках - расстояние до них может достигать десятков миллионов световых лет. Но насколько далеко простираются возможности наблюдательной техники, особенно когда ей помогает природа? Недавнее удивительное открытие Икара - самой далекой звезды во Вселенной из числа известных на сегодняшний день - свидетельствует о возможности наблюдения чрезвычайно удаленных космических феноменов.
Помощь природы
Существует явление, благодаря которому астрономам может быть доступно наблюдение наиболее дальних объектов Вселенной. Называется оно является одним из следствий общей теории относительности и связано с отклонением светового луча в поле гравитации.
Эффект линзирования заключается в том, что если между наблюдателем и источником света на луче зрения располагается какой-либо массивный объект, то , искривляясь в его гравитационном поле, создают искаженное или множественное изображение источника. Строго говоря, лучи отклоняются в поле тяготения любого тела, но наиболее заметный эффект дают, конечно, самые массивные образования во Вселенной - скопления галактик.
В случаях, когда в качестве линзы выступает малое космическое тело, например одиночная звезда, визуальное искажение источника практически невозможно зафиксировать, но яркость его может существенно возрасти. Такое событие называют микролинзированием. В истории открытия самой далекой от Земли звезды сыграли роль оба типа гравитационного линзирования.
Как произошло открытие
Обнаружению Икара способствовала счастливая случайность. Астрономы вели наблюдение одного из удаленных MACS J1149.5+2223, находящегося приблизительно в пяти миллиардах световых лет от нас. Оно интересно как гравитационная линза, благодаря особой конфигурации которой световые лучи искривляются по-разному и проходят в итоге разные расстояния до наблюдателя. Вследствие этого отдельные элементы линзированного изображения источника света должны запаздывать.
В 2015 году астрономы ждали предсказанной в рамках данного эффекта повторной вспышки сверхновой Рефсдаль в очень далекой галактике, свет от которой достигает Земли за 9,34 миллиарда лет. Ожидаемое событие действительно произошло. Но на снимках 2016-2017 годов, полученных телескопом «Хаббл», помимо сверхновой, обнаружилось еще кое-что, не менее интересное, а именно изображение звезды, принадлежащей к той же удаленной галактике. По характеру блеска определили, что это - не сверхновая, не гамма-всплеск, а обычная звезда.
Увидеть отдельное светило на таком огромном расстоянии стало возможно благодаря событию микролинзирования в самой галактике. Случайным образом перед звездой прошел объект - скорее всего, другая звезда - с массой порядка солнечной. Сам он, конечно, остался невидимым, но его поле гравитации усилило блеск источника света. В сочетании с линзирующим эффектом кластера MACS J1149.5+2223 это явление дало усиление яркости самой далекой видимой звезды в 2000 раз!
Звезда по имени Икар
Новооткрытому светилу было присвоено официальное наименование MACS J1149.5+2223 LS1 (Lensed Star 1) и собственное имя - Икар. Предыдущий рекордсмен, носивший гордый титул самой далекой звезды, которую удалось наблюдать, расположен в сто раз ближе.
Икар чрезвычайно ярок и горяч. Это голубой сверхгигант спектрального класса В. Астрономам удалось определить основные характеристики звезды, такие как:
- масса - не менее 33 масс Солнца;
- светимость - превышает солнечную приблизительно в 850 000 раз;
- температура - от 11 до 14 тысяч кельвин;
- металличность (содержание химических элементов тяжелее гелия) - около 0,006 солнечной.
Судьба самой далекой звезды
Событие микролинзирования, позволившее увидеть Икар, произошло, как мы уже знаем, 9,34 миллиарда лет назад. Возраст Вселенной составлял тогда всего около 4,4 миллиарда лет. Снимок этой звезды - своего рода мелкомасштабный стоп-кадр той давней эпохи.
За время, в течение которого свет, испущенный 9 с лишним миллиардов лет назад, преодолел расстояние до Земли, космологическое расширение Вселенной отодвинуло галактику, в которой жила самая далекая звезда, до расстояния в 14,4 миллиарда световых лет.
Сам же Икар, согласно современным представлениям об эволюции звезд, давно прекратил существование, ведь чем массивнее звезда, тем короче должно быть время ее жизни. Не исключено, что часть вещества Икара послужила строительным материалом для новых светил и, вполне возможно, их планет.
Увидим ли мы его снова
Несмотря на то что случайный акт микролинзирования - очень кратковременное событие, ученые имеют шанс увидеть Икара снова, и даже с большей яркостью, поскольку в крупном линзирующем скоплении MACS J1149.5+2223 множество звезд должно находиться вблизи луча зрения Икар - Земля, и пересечь этот луч может любая из них. Разумеется, есть вероятность увидеть таким же образом и другие удаленные звезды.
А может быть, когда-нибудь астрономам повезет зафиксировать грандиозный взрыв - вспышку сверхновой, которой завершила свою жизнь самая далекая звезда.
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.
На границе галактики
Самые далёкие космические объекты расположены так далеко от Земли, что даже световые годы являются смехотворно малым мерилом их удалённости. Например, самоё близкое к нам космическое тело – Луна расположено всего в 1,28 световых секунды от нас. Как же представить себе расстояния, которые световой испульс не в силах преодолеть за сотни тысяч лет? Существует мнение, что измерять такое колоссальное пространство классическими величинами некорректно, с другой стороны других у нас нет.
Самая далёкая звезда нашей Галактики расположена в направлении созвездия Весов и удалена от Земли на расстояние, которое может преодолеть свет за 400 тыс. лет. Ясно, что эта звезда находится у пограничной черты, в так называемой зоне галактического гало. Ведь расстояние до этой звезды примерно в 4 раза превышает диаметр воображаемых просторов нашей Галактики. (Диаметр Млечного Пути оценивается примерно в 100 тыс. световых лет.)
За пределами галактики
Удивительно, что самую далекую, довольно-таки яркую звезду открыли только в наше время, хотя ее наблюдали и ранее. По непонятным соображениям астрономы не обратили особого внимания на слабо светящееся пятнышко на звездном небосклоне и различающееся на фотопластинке. Что же получается? Люди видят звезду в течение четверти века и... не замечают ее. Совсем недавно американскими астрономами из обсерватории имени Лоуэлла была открыта еще одна из наиболее отдаленных звезд в периферийных пределах нашей Галактики.
Эту звезду, уже потускневшую от «старости», можно поискать на небосклоне в расположении созвездия Девы, на расстоянии примерно 160 тыс. световых лет. Подобные открытия в темных (в прямом и переносном смысле слова) участках Млечного Пути позволяют внести важные корректировки при определении истинных значений массы и размеров нашей звездной системы в сторону их значительного увеличения.
Однако, даже самые далёкие звёзды в нашей галактике расположены относительно близко. Самые далёкие из известных науке квазаров расположены более чем в 30 раз дальше.
Кваза́р (англ. quasar - сокращение от QUASi stellAR radio source - «квазизвёздный радиоисточник») представляет собой класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» - звёзд.
Не так давно американские астрономы обнаружили три квазара, относящиеся к числу самых "старых" известных науке объектов во Вселенной. Их удаленность от нашей планеты составляет более 13 миллиардов световых лет. Расстояния до далеких космических образований определяются с помощью так называемого "красного смещения" – сдвига в спектре излучения быстро движущихся объектов. Чем дальше они находятся от Земли, тем быстрее, в соответствии с современными космологическими теориями, они удаляются от нашей планеты. Предыдущий рекорд дальности был зафиксирован в 2001 году. Красное смещение обнаруженного тогда квазара оценивалось величиной 6.28. Нынешняя троица имеет смещения 6.4, 6.2 и 6.1.
Темное прошлое
Открытые квазары всего на 5 процентов "моложе" Вселенной. Что было до них, сразу после Большого Взрыва – зафиксировать сложно: водород, образовавшийся через 300 000 лет после взрыва, блокирует излучение самых ранних космических объектов. Только рост числа звезд и последовавшая ионизация водородных облаков позволяет разорвать завесу над нашим "темным прошлым".
Для получения и проверки подобной информации требуется совместная работа нескольких мощных телескопов. Ключевая роль в этом деле принадлежит космическому телескопу Хаббл и цифровому телескопу Слоан, расположенному в обсерватории Нью-Мексико.
Мощнейшая гравитационная линза, усилившая свет в две тысячи раз, помогла орбитальной обсерватории "Хаббл" получить фотографии звезды, удаленной от Земли на 9 миллиардов световых лет, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
"Нам впервые удалось увидеть обычную звезду - не сверхновую, не гамма-вспышку, а самое заурядное светило, удаленное от нас на девять миллионов световых лет. Как нам кажется, другие подобные наложения "космических линз" помогут нам увидеть самые ранние звезды Вселенной. Само мироздание подарило нам самый большой телескоп, какой только может существовать", - заявил Алексей Филиппенко из университета Калифорнии в Беркли (США).
Любое скопление материи большой массы, в том числе и темной, взаимодействует со светом и заставляет его лучи искривляться, как это делают обычные оптические линзы. Такой эффект ученые называют гравитационным линзированием. В некоторых случаях искривление пространства помогает астрономам увидеть сверхдалекие объекты - первые галактики Вселенной и их ядра-квазары - которые были бы недоступны для наблюдения с Земли без гравитационного "увеличения".
Если два квазара, галактики или других объекта расположены друг за другом для наблюдателей на Земле, возникает интересная вещь - свет более далекого объекта расщепится при прохождении через гравитационную линзу первого. Из-за этого мы увидим не два, а пять ярких точек, четыре из которых будут световыми "копиями" более далекого объекта. Вдобавок, подобные "линзы Эйнштейна" часто накладываются друг на друга, что усиливает свет еще более далеких объектов.
Филиппенко и его коллеги, в том числе нобелевский лауреат Адам Рисс (Adam Riess), впервые смогли получить детальные снимки звезды, существовавшей в одной из первых галактик Вселенной, наблюдая за скоплением галактик MACS J1149, расположенном в созвездии Льва на расстоянии в пять миллиардов световых лет от Земли.
Это скопление, как выяснили ученые в 2014 году, закрывает собой еще одно крупное "семейство" галактик, следы которого можно увидеть в виде яркого кольца света, окружающего MACS J1149. Анализируя его структуру по снимкам, полученным "Хабблом" в 2016 и 2017 годах, Филиппенко и его коллеги заметили необычный объект, который выбивался из общего ряда галактик.
Проанализировав его спектр и измерив размеры, ученые обнаружили, что имеют дело не со вспышкой сверхновой или гамма-всплеском, а с нормальной звездой, которая относится к числу голубых сверхгигантов. Она находится на окраинах галактики, удаленной от Земли примерно на 9 миллиардов световых лет, на противоположном краю которой относительно недавно взорвалась сверхновая, SN Refsdal, чей свет также был многократно усилен "линзой" MACS J1149.
В прошлом, эта звезда, получившая кличку "Икар" и имя MACS J1149 LS1, оставалась невидимой для "Хаббла" или любых других телескопов. Она стала заметной только после того, как ее положение в галактике сместилось, и ее свет начал проходить через окрестности другой звезды, небольшого карлика размером с Солнце, на пути к скоплению MACS J1149. Это усилило ее свечение в 600 раз и позволило астрономам открыть ее.
В ближайшем будущем, как ожидают Филиппенко и его коллеги, MACS J1149 LS1 станет еще ярче из-за дальнейших сдвигов в положении звезд в ее родной галактике. Наблюдения за этим светилом, как надеются ученые, помогут им понять, какую роль играет темная материя в формировании подобных гравитационных линз и приблизиться к открытию так называемых примордиальных черных дыр.
В мае 2015 года телескопом «Хаббл» была зафиксирована вспышка самой далекой, а значит и самой старой известной на сегодняшний день галактики. Излучению потребовалось целых 13,1 млрд. световых лет, чтобы достигнуть Земли и быть зафиксированным нашей аппаратурой. По подсчетам ученых, галактика появилась на свет примерно через 690 млн. лет после Большого Взрыва.
Можно было бы подумать, что если свет от галактики EGS-zs8-1 (а именно такое элегантное имя присвоили ей ученые) летел к нам 13,1 млрд. лет, то и расстояние до неё будет равно тому, которое свет пройдет за эти 13,1 млрд. лет.
Галактика EGS-zs8-1 — самая далекая среди всех обнаруженных на сегодняшний день
Но нельзя забывать некоторые особенности устройства нашего мира, которые сильно повлияют на вычисление расстояния. Дело в том, что вселенная расширяется, причем делает это с ускорением. Получается, пока свет шел 13,1 млрд. лет до нашей планеты, пространство расширялось все больше и больше, и галактика удалялась от нас всё быстрее и быстрее. Наглядный процесс представлен на рисунке ниже.
Учитывая расширение пространства, самая далекая галактика EGS-zs8-1 в данный момент находится от нас приблизительно в 30,1 млрд. световых лет, что является рекордом среди всех других подобных объектов. Интересно, что до определенного момента мы будем обнаружить всё более далекие галактики, свет которых до сих пор не дошёл до нашей планеты. Можно с уверенностью сказать, что рекорд галактики EGS-zs8-1 в будущем будет побит.
Это интересно: часто возникает неправильное представление о размере вселенной. Её ширину сравнивают с её же возрастом, который составляет 13,79 млрд. лет. При этом не учитывается, что вселенная расширяется с ускорением. По приблизительным подсчетам, диаметр видимой вселенной составляет 93 млрд. световых лет. Но существует и невидимая часть вселенной, посмотреть которую нам не удастся никогда. Подробнее о размере вселенной и невидимых галактиках в статье ««.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .