Рубрика: James Webb Space Telescope

В астрономии элементы, отличные от водорода и гелия, называются металлами. Хотя это может заставить вашего школьного учителя химии съежиться, для астрономов это имеет смысл. Водород и гелий — два самых легких элемента появились первыми во Вселенной. Они являются атомными остатками большого взрыва и составляют более 99% атомов во Вселенной. Все остальные элементы, от углерода до железа и золота, были созданы в результате астрофизических процессов — таких как ядерный синтез в ядрах звезд, взрывы сверхновых и столкновения белых карликов и нейтронных звезд.

Поскольку подобные астрофизические события происходили на протяжении всей истории Вселенной и продолжают происходить в настоящем, доля металлов во Вселенной со временем увеличилась. Из-за этого одним из способов классификации звезд является количество металлов, которые мы видим в их спектрах. Это известно как металличность звезды. С учетом металличности астрономы подразделяют звезды на три большие группы.

Звезды из популяции I, как и наше Солнце, содержат наибольшее количество металлов. Как правило, это самые молодые звезды, у которых, скорее всего, есть планетные системы. У звезд второй популяции меньше металлов. Это более старая популяция, поэтому большинство из них — красные карлики. В прошлом было много крупных звезд второй популяции, но они давно умерли, большинство из них взорвалось, оставив после себя белых карликов и нейтронные звезды. Остатки облаков взрывов этих мертвых звезд послужили сырьем, из которого сформировалась популяция звезд I как наше Солнце.

Оба этих типа звезд мы видим в Млечном Пути и других галактиках. Но должна быть и третья популяция – звезды прародители, которую мы никогда не видели. Звезды популяции III были бы действительно древними. Они были бы первыми звездами, появившимися во Вселенной, в которых почти не было металлов. Без более тяжелых элементов, увеличивающих их плотность, звезды популяции III, должно быть, были чудовищами. Яркие голубые водородно-гелиевые звезды в сотни раз массивнее нашего Солнца. У них была бы очень яркая, но очень короткая жизнь. Звезды-прабабушки, которые своей насильственной, взрывоопасной кончиной выбросили в космос первые металлы. Все они исчезли задолго до образования нашего Солнца.

Но благодаря конечной скорости света, чем глубже мы заглядываем в космос, тем дальше в прошлое мы можем заглянуть. Астрономы изучили некоторые из самых отдаленных галактик в поисках свидетельств существования этих первых звезд. Теперь, когда космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) включился в работу, астрономы получают потрясающие виды на невероятно далекие галактики. И, согласно недавнему исследованию, одна команда ученых, возможно, обнаружила первый проблеск звезд из популяции III.

Команда изучила спектральные линии из области вблизи галактики, известной как GN-z11. Это одна из самых удаленных от нас галактик, из когда-либо наблюдавшихся. GN-z11 имеет красное смещение около z = 10,6, что означает, что мы видим ее в то время, когда вселенной было всего 400 миллионов лет. Это все еще после того, как, вероятно, сформировались самые первые звезды, поэтому большая часть галактики, вероятно, состоит из звезд второй популяции. Но звезды из популяции III, возможно, все еще формировались в газовом ореоле, окружающем галактику.

Спектральные линии из этой области гало показывают сильную линию HeIIλ1640, которая относится к типу линий, испускаемых гелием, когда он очень горячий. Обычно такой горячий межзвездный газ будет иметь яркие линии от “металлических” элементов, но в этом регионе этого нет. Итак, спектр HeII испускаемый GN-z11, по-видимому, представляет собой смесь газообразных водорода и гелия, которые была сильно чем-то ионизированы.

Одна из возможных причин предполагает, что область гало могла нагреваться активными ядрами галактик (AGN) в центре GN-z11, но расчетная температура газа в гало и его расстояние от галактики на самом деле не соответствуют этой модели.

Альтернативный вариант заключается в том, что регион был ионизирован массивными звездами населения III. Судя по уровню ионизации, эти звезды были бы примерно в 500 раз массивнее Солнца, а такая масса находится в гипотетическом диапазоне масс звезд популяции III.

Этого исследования недостаточно, чтобы доказать наличие звезд из популяции III, но это убедительный аргумент. Нам нужно больше наблюдений за этими далекими галактиками. И благодаря JWST мы начинаем их получать.

Майолино, Роберто и др. “JWST-НЕФРИТЫ. Возможные сигнатуры населения III при z = 10,6 в гало GN-z11.” Препринт arXiv arXiv: 2306.00953 (2023).

Одно из самых интересных (и сбивающих с толку) открытий, сделанных космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), — это существование “невероятно больших галактик” существовавших во время “Космического рассвета”, периода, который совпал с концом “Космической темной эры” (примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва). Считается, что этот период содержит ответы на многие космологические загадки, не последней из которых является то, как выглядели самые ранние галактики во Вселенной. Но после того, как Уэбб получил изображения этих первичных галактик, астрономы заметили нечто озадачивающее — галактики были намного больше, чем предсказывает наиболее широко принятая космологическая модель!
С тех пор астрономы и астрофизики ломают голову, пытаясь понять, как могли образоваться столь большие галактики в столь молодой вселенной.

Недавно команда астрофизиков из Еврейского университета Иерусалима опубликовала теоретическую модель, которая возможно раскрывает тайну этих массивных галактик. Согласно их выводам, преобладание особых условий в этих галактиках (в то время) обеспечивало высокоэффективные темпы звездообразования.
Результаты исследования были представлены в статье под названием “Эффективное формирование массивных галактик на космическом рассвете в результате звездообразований без обратной связи”, недавно опубликованной ежемесячными уведомлениями Королевского астрономического общества.

Согласно модели которая наилучшим образом объясняет то, что мы наблюдаем в космосе, первые звезды и галактики сформировались во время “Космической темной эры”. Название относится к тому периоду, когда единственными источниками фотонов был космический микроволновый фон и облака нейтрального водорода, окутывавшими Вселенную. Как только галактики начали формироваться, излучение их горячих и массивных звезд (в 1000 раз массивнее нашего Солнца) начало повторно ионизировать нейтральный водород.

Этот период известен как эпоха реионизации (примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва), когда Вселенная постепенно становилась прозрачной и видимой для современных инструментов. Благодаря чрезвычайной чувствительности телескопа JWST к инфракрасному излучению астрономы раздвинули границы видимого, обнаружив множество массивных галактик, которые существовали всего через полмиллиарда лет после Большого взрыва. И это противоречит стандартной модели, так как с момента Большого взрыва просто не было достаточно времени, чтобы сформировалось так много галактик и они стали такими массивными.

Уже в первые 500 миллионов лет после Большого взрыва исследователи идентифицировали галактики, каждая из которых содержит около десяти миллиардов звезд, подобных нашему солнцу. Это открытие удивило исследователей, которые пытались найти правдоподобные объяснения загадки, начиная от возможности того, что наблюдательная оценка количества звезд в галактиках преувеличена, и заканчивая предположением о необходимости критических изменений в стандартной космологической модели Большого взрыва.

Согласно модели, предложенной в новой работе, преобладание особых условий в этих галактиках обеспечило бы высокие темпы звездообразования. К ним относятся высокая плотность и низкое содержание тяжелых элементов. Существующие теории формирования галактик указывают на то, что водород, пронизывавший раннюю Вселенную, сколлапсировал в гигантские сферические облака темной материи, где он собрался вместе, чтобы дать жизнь первой популяции звезд (Population III).

Но особый интерес для астрономов представляют первичные сверхмассивные черные дыры, в тысячу раз массивнее нашего Солнца, которые существовали примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Астрономы были удивлены, обнаружив сверхмассивные черные дыры такой массивности в центре ранних галактик, поскольку (опять же) предполагалось, что у них не было достаточно времени для формирования. В будущих наблюдениях будут предприняты попытки найти зародыши этих черных дыр с помощью JWST и обсерваторий, таких как лазерный интерферометр Space Antenna (LISA).

Новые наблюдения с помощью спектрографа в ближней инфракрасной области (NIRSpec) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба NASA / ESA / CSA показывают, что комета главного пояса 238P / Read имеет ком из водяного пара, но не содержит значительного количества углекислого газа.

Комета 238P / Read была открыта 24 октября 2005 года американским астрономом Майклом Т. Ридом с помощью телескопа Spacewatch в Национальной обсерватории Китт-Пик.
Также известная как P / 2005 U1, она находится в главном поясе астероидов, но периодически демонстрирует кому и хвост. Ее орбитальный период составляет 5,63 года, а диаметр составляет 600 м.

Сами кометы главного пояса представляют собой довольно новую классификацию, и 238P / Read была одной из первых трех комет, использовавшихся для определения категории. До этого считалось, что кометы находятся в поясе Койпера и облаке Оорта, за орбитой Нептуна, где их льды могли сохраняться вдали от Солнца. Замороженный материал, который испаряется по мере приближения к Солнцу, придает кометам характерную кому и струящийся хвост, отличающий их от астероидов.

Астрономы давно предполагали, что водяной лед может сохраняться в более теплом поясе астероидов, внутри орбиты Юпитера, но окончательного доказательства не было — до появления Webb-а.

В прошлом астрономы видели объекты в главном поясе со всеми характеристиками комет, но только с этими точными спектральными данными Уэбба они смогли сказать, что это определенно водяной лед, который создает этот эффект.
Благодаря наблюдениям Уэбба за 238P / Read астрономы теперь могут продемонстрировать, что водяной лед из ранней Солнечной системы может сохраняться в поясе астероидов.

По словам команды, отсутствие углекислого газа стало еще большим сюрпризом. Обычно двуокись углерода составляет около 10% летучего материала в комете, который может легко испаряться под воздействием солнечного тепла.
Авторы представляют два возможных объяснения отсутствия двуокиси углерода. Одна из возможностей заключается в том, что у 238P / Read при формировании был углекислый газ, но она потеряла его из-за высоких температур.
Этого могло произойти из-за длительного пребывания в поясе астероидов — углекислый газ испаряется легче, чем водяной лед, и может просачиваться наружу в течение миллиардов лет.

Альтернативная версия гласит, что 238P / Read, возможно, сформировалась в особенно теплом кармане Солнечной системы, где не было углекислого газа.
Выводы команды опубликованы на этой неделе в журнале Nature.

Gliese 1214b — это так называемый мини-Нептун, уменьшенная и более плотная версия Нептуна, которая состоит из скалистого ядра, окруженного толстым слоем газа.

Обнаруженная в 2009 году проектом MEarth, Gliese 1214b находится примерно в 52 световых годах от нас в созвездии Змееносца. Эта экзопланета обращается вокруг красного карлика Gliese 1214 каждые 38 часов на расстоянии 1,3 миллиона миль. Эта планета примерно в 2,7 раза больше диаметра Земли и весит почти в семь раз больше. И хотя она слишком горячая, чтобы содержать океаны с жидкой водой, вода в испаренной форме все еще может составлять основную часть ее атмосферы.

“Планета полностью покрыта какой-то дымкой или слоем облаков”, — сказала астроном Университета Мэриленда Элиза Кемптон.
“Атмосфера просто оставалась полностью скрытой от нас до этого наблюдения”.
“Если планета действительно богата водой, она могла быть водным миром с большим количеством водянистого и ледяного материала во время ее формирования”.

Чтобы проникнуть через такой толстый барьер, доктор Кемптон и его коллеги рискнули применить новый подход. В дополнение к стандартным наблюдениям, они проследили Gliese 1214b почти по всей её орбите вокруг родительской звезды.

Используя прибор космического телескопа Джеймс Уэбба в средней инфракрасной области (MIRI), они смогли создать своего рода тепловую карту планеты которая помогла раскрыть детали состава атмосферы.

“Возможность наблюдать полную орбиту была действительно важна для понимания того, как планета распределяет тепло с дневной стороны на ночную”, — сказал доктор Кемптон.
“Существует большой контраст между днем и ночью. Ночная сторона холоднее дневной. Фактически, температура изменилась с 279 до 165 градусов по Цельсию”.

Такой большой сдвиг возможен только в атмосфере, состоящей из более тяжелых молекул, таких как вода или метан. Это означает, что атмосфера Gliese 1214b состоит в основном не из более легких молекул водорода, что является потенциально важным ключом к истории и формированию планеты — и, возможно, к ее водянистому началу.

“Это не первичная атмосфера. Он не отражает состав звезды-хозяина, вокруг которой она сформировалась ”, — сказал доктор Кемптон.
“Она либо потерял много водорода, если сформировалась с богатой водородом атмосферой, либо изначально образовалась из более тяжелых элементов — более ледяного материала, богатого водой”.
“И хотя по человеческим меркам планета горячая, она намного холоднее, чем ожидалось”.

Это потому, что её необычно блестящая атмосфера, которая стала неожиданностью для исследователей, отражает большую часть света от родительской звезды, вместо того, чтобы поглощать его и нагреваться.

Новые наблюдения могут открыть дверь для более глубокого изучения мини-Нептунов — наиболее распространенного типа планет в галактике, но все езе загадочного для нас, потому что они не встречаются в нашей Солнечной системе.

“За последнее почти десятилетие единственное, что мы действительно знали о Gliese 1214b, это то, что атмосфера была облачной”, — сказал доктор Роб Зеллем, астроном из Лаборатории реактивного движения НАСА.
“Эта статья имеет действительно интересные последствия для дополнительных подробных интерпретаций климата — для изучения детальной физики, происходящей внутри атмосферы этой планеты”.

Новая работа предполагает, что Gliese 1214b, возможно, сформировался дальше от своей звезды, а затем постепенно закручивался по спирали внутрь к своей нынешней, близкой орбите.

“Самое простое объяснение, если вы обнаружите планету, богатую водой, заключается в том, что она сформировалась дальше от звезды-хозяина”, — сказал доктор Кемптон.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) революционизирует наше понимание ранней Вселенной. Благодаря зеркалу, большему, чем у Хаббла, и способности вести наблюдения в глубоком инфракрасном диапазоне, JWST дает нам детальное представление о том периоде Вселенной, когда галактики только начинали формироваться. Результаты были удивительными, что привело некоторых к утверждению, что они опровергают теорию большого взрыва. Но большой взрыв все еще не поврежден, как показывает недавнее исследование.

Стандартной моделью большого взрыва для космологии является модель LCDM, которая представляет собой вселенную, которая расширяется за счет темной энергии (представленной Лямбдой в уравнениях) и заполнена холодной темной материей (CDM). На данный момент это модель, наиболее убедительно подтверждаемая данными наблюдений. Но одна из вещей, которые, казалось, предсказывал LCDM, заключалась в том, что ранние галактики должны были быть маленькими и неправильной формы, образуясь в результате столкновений в более крупные галактики, которые мы видим сегодня. Это предсказание появилось на основе компьютерного моделирования ранней Вселенной.

Исходные данные JWST, казалось, противоречили этому предсказанию. В частности, два исследования, JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) и Cosmic Evolution Early Release Science Survey (SEERS) обнаружили несколько галактик с красным смещением z больше 10. Эти галактики являются одними из самых отдаленных галактик, когда-либо наблюдавшихся. Они так далеко, что мы видим их в то время, когда Вселенной было менее 500 миллионов лет. Эти галактики не только крупнее и развитее, чем ожидалось, но и отличаются высокой скоростью образования звезд.

Вот тут-то и вмешались скептики большого взрыва. Они утверждали, что галактики слишком развиты и слишком активны, чтобы образоваться менее чем за полмиллиарда лет, поэтому большой взрыв должен быть ошибочным.

Но вместо того, чтобы опровергать большой взрыв, эти результаты показывают проблемы моделирования ранней Вселенной. Ключом к космологическому моделированию является возможность смоделировать его в мельчайших деталях. Очевидно, что мы не можем смоделировать все, поэтому модели фокусируются на определенных масштабах, таких как определенный начальный размер галактик. Чем детальнее ваше моделирование, тем точнее оно может быть, но тем больше вычислительной мощности вам потребуется для его запуска.

В этом недавнем исследовании рассматривались симуляции высокого разрешения под названием Renaissance, которые выполняются на суперкомпьютере Blue Waters Sustainable Petascale Computing в Университете Иллинойса. Моделирование эпохи Возрождения может моделировать галактики в ранней Вселенной в диапазоне от 10 000 солнечных масс до десятков миллионов солнечных масс. Это одна из самых подробных симуляций, доступных в настоящее время.

Команда изучила шесть галактик из обзоров JADES и SEERS, которые имели красное смещение z > 10 и имели хорошо измеренные скорости звездообразования. Когда они сравнили эти галактики с диапазоном галактик, полученных в моделировании эпохи Возрождения, они обнаружили сильное согласие. Наблюдения JWST поддерживают модель большого взрыва LCDM.

Поскольку JWST продолжает собирать данные, он обязательно обнаружит больше сюрпризов от наблюдений. И, как показывает это исследование, для проверки наблюдений потребуются более подробные симуляции. Так же, как JWST раздвигает границы космических наблюдений, астрофизикам нужно будет раздвинуть границы компьютерного моделирования, чтобы не отставать.

Ссылка: McCaffrey, Joe, et al. “No Tension: JWST Galaxies at z > 10 Consistent with Cosmological Simulations.” arXiv preprint arXiv:2304.13755 (2023).

Подтверждено, что семь галактик, выделенных на этом снимке космического телескопа Джеймса Уэбба, находятся на расстоянии, которое астрономы называют красным смещением 7,9, что соответствует 650 миллионам лет после большого взрыва. Это делает их самыми ранними галактиками, которые еще предстоит спектроскопически подтвердить как часть развивающегося скопления.

Астрономы считают, что протокластер представляет собой самые ранние стадии того, что разовьется в массивный конгломерат, подобный скоплению Кома, которое включает тысячи гравитационно связанных галактик-членов.

Астрономы использовали прибор телескопа Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec), чтобы точно измерить расстояния и определить, что галактики являются частью развивающегося скопления. Галактику YD4, которая, по предварительным оценкам, находилась на большем расстоянии, основываясь только на данных изображений, удалось более точно расположить на том же красном смещении, что и другие галактики.

До появления Уэбба астрономы не располагали изображениями с высоким разрешением или спектральными инфракрасными данными, доступными для проведения такого рода научных исследований.

На экстремальных расстояниях астрономы используют ссылку на красное смещение, чтобы объяснить тот факт, что по мере расширения Вселенной длины волн света растягиваются и “сдвигаются” в сторону более красных длин волн, которые длиннее. Более короткие длины волн, например ультрафиолетовые и рентгеновские, находятся ближе к синему концу электромагнитного спектра.

Таким образом, экстремальные расстояния в ранней Вселенной определяются тем, насколько сильно сместился излучаемый там свет, пока он путешествовал в пространстве, чтобы быть обнаруженным телескопом.