"Мертвые" галактики показали эволюцию массивных галактик

Международная команда, возглавляемая исследователями Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, наблюдала крупные мертвые галактики, возникшие в ранней Вселенной. Работа велась с помощью инфракрасной камеры телескопа Субару и спектрографа (MOIRCS). Они обнаружили поразительное сходство звездного содержимого этих объектов с массивными эллиптическими галактиками. Кроме того, они определили прародителей этих галактик, формировавших звезды в более раннюю космическую эпоху. Ученые показали образование и эволюцию массивных галактик за 11 миллиардов лет космического времени.

В локальной Вселенной массивные галактики, создавшие более 100 млрд звезд, являются преимущественно мертвыми эллиптическими галактиками, то есть, без каких-либо признаков активного звездообразования.

Когда в таких галактиках произошло прекращение звездообразования и почему?

Научно-исследовательская группа использовала результаты записей "ископаемых" звезд в спектрах далеких мертвых галактик, которые дают важный ключ к разгадке возраста, содержанию металлов и частоте элементов. Местным массивным мертвым галактикам около 10 млрд лет, в них содержится много тяжелых элементов. Кроме того, существуют альфа-элементы с атомной массой кратной 4, т.е. ядру гелия (здесь: элементы, производимые сверхновыми II типа, такие как кислород, неон, магний, кремний, сера, кальций, титан), по которым измеряют продолжительность звездообразования. Они более многочисленны, чем железо и показывают, что эти галактики сформировали большое количество звезд за очень короткий период времени.

Команда исследовала содержание звезд в галактиках далекой Вселенной в целях изучения эволюции галактик в период наиболее близкий к эпохе их формирования и воспользовалась способностью MOIRCS наблюдать одновременно несколько объектов, опираясь на данные 24 слабых галактик. Был создан композитный спектр сопоставимого качества соответствующий 200 часам работы телескопа Subaru.

Композитный спектр 24 массовых мертвых галактик в ранней Вселенной эквивалентен 200 часам наблюдений телескопа Subaru. Прямоугольники в спектре указывают спектральные особенности, которые используются для расчета возраста, количества тяжелых элементов и числа α-элементов в звездных популяциях этих галактик Фото: ETH Zürich/NAOJ

Анализ композитного спектра показывает, что возраст этих галактик, если считать после Большого Взрыва, уже составляет 1 млрд лет. Они производят в 1,7 раза больше тяжелых элементов, чем водорода, а их количество альфа-элементов вдвое превышает содержание железа в солнечных данных. Впервые в таких далеких мертвых галактиках было измерено содержание альфа-элементов, которое показало что звездобразование в этих галактиках длилось менее одного млрд лет и на этом прекратилось .

Космическая эволюция - возраст (слева), обилие тяжелых элементов (в центре) и число альфа-элементов в сравнении с железом (справа) массивных мертвых эллиптических галактик. Серые точки показывают данные результатов других исследований, предшествовавших работе. Цветная полоса в левой группе - предположение их эволюции, если такие крупные эллиптические галактики сформировались 10 - 11 миллиардов лет назад (красное смещение 2,3) и развивались в современной Вселенной без образования новых звезд (красное смещение ноль). Прогноз очень хорошо согласуется с наблюдаемой тенденцией. Средняя и левая панели четко показывают, что химический состав массивных эллиптических галактик не развивается в течение всего этого космического времени
Фото: ETH Zürich/NAOJ

Как выглядят массивные мертвые галактики, когда они создают звезды?

Команда исследовала их прародителей на основе спектрального анализа. Предшественники должны были формировать звезды во Вселенной за миллиард лет до наблюдаемой эпохи мертвых галактик. Ученые действительно обнаружили такие крупные звездообразующие галактики в соответствующую эпоху и с тем темпом формирования звезд, который ожидался от спектров. Если бы эти активные галактики продолжали создавать звезды с той же скоростью, они немедленно стали бы более массивным, чем мы видим их в современной Вселенной. Поэтому эти галактики прекратят в ближайшее время звездообразование и перестанут расти.

Это исследование установило последовательную картину истории массивных галактик за более чем 11 миллиардов лет космического времени.

"Мы хотели бы изучить эволюцию галактик более подробно с помощью метода object-by-object и распространения его на еще более раннюю эпоху".
Доктор Масато Онодера, возглавляющий команду

Источник: arxiv.org

11-летний поиск гравитационных волн ничего не дал

Сто лет назад Эйнштейн предположил существование гравитационных волн как часть своей общей теории относительности. 11-летний поиск с помощью высокоточного CSIRO Parkes telescope не смог их обнаружить, что ставит под сомнение теорию галактик и черных дыр.

Считается, что гравитационные волны несут информацию, позволяющую ученым заглянуть в самые истоки Вселенной. Однако их еще никто не обнаружил, хотя есть косвенные доказательства существования этого явления.

Ученые ожидали обнаружить фон - "гул" волн, исходящий из объединяющихся галактик всей Вселенной.

"Но мы ничего не слышали. Даже стонов. Кажется, на космическом фронте тишина - по крайней мере, для вида волн, которые мы ищем".
Д-р Райан Шеннон (Ryan Shannon) из CSIRO и Международного центра радиоастрономических исследований

Галактики растут путем слияния, и считается, что в сердце каждой крупной есть сверхмассивная черная дыра. Когда две галактики объединяются, черные дыры сближаются и образуют вращающуюся друг вокруг друга пару, которая, по теории Эйнштейна, посылает в этот момент гравитационные волны сквозь пространство-время Вселенной.

Моделирование слияния черных дыр Фото: Michael Koppitz

Постулаты общей теории относительности Эйнштейна не были опровергнуты, но гравитационные волны так и остались его неподтвержденным предположением.

Для поиска волн команда доктора Шеннона использовала телескоп Parkes, контролируя "милисекундные пульсары". Эти маленькие звезды испускают очень регулярные радиоимпульсы и действовать, как космические часы. Ученые записали время появления из сигналов с точностью до десяти миллиардных долей секунды.

Гравитационная волна, проходя между Землей и "миллисекундным пульсаром", сжимает и растягивает пространство, изменяя расстояние между ними примерно на 10 метров - крошечную долю расстояния от пульсара до Земли. Это слегка изменяет время приходя сигналов пульсара на Землю.

Черные дыры, сливаясь создают гравитационные волны. Ученые, использовавшие для исследования телескоп CSIRO Parkes, искали влияние этих волн на пульсары
Видео: John Rowe Animations/CSIRO

Астрономы изучали эти пульсары в течение 11 лет - достаточно долго, чтобы выявить гравитационные волны. Так почему они ничего не нашли? Причин может быть несколько, но ученые предполагают, что черные дыры соединяются очень быстро и им мало времени для генерации гравитационных волн.

"Там может быть газ, окружающий черные дыры, который создает трение и потребляет энергию, позволяя им довольно быстро войти в клинч".
Д-р Пол Ласки (Paul Lasky), член команды, научный сотрудник Университета Монаш.

И если астрономы хотят обнаружить гравитационные волны по времени пульсаров, то им придется записывать их многие годы.

"Может быть также преимущество при переходе на более высокую частоту".
Д-р Линдли Лентати (Lindley Lentati) из Кембриджского университета, Великобритания, член исследовательской группы, который специализируется в области методов синхронизации пульсара.

Должен облегчить работу астрономов и высокочувствительный Square Kilometer Array-Teleskop, строительство которого начнется в 2018 году.

Отсутствие результатов поиска гравитационных волн путем фиксации времени пульсаров не мешает наземным детекторам гравитационных волн, таким как Advanced LIGO, который начался свои наблюдения за Вселенной на прошлой неделе.

"Наземные детекторы ищут высокочастотные гравитационные волны, генерируемые другими источниками, такими как слияния нейтронных звезд".
Д-р Викрам Рави (Vikram Ravi), член исследовательской группы из Университета Суинберна (ныне - Калифорнийского технологического института в Пасадене, штат Калифорния)

Работа доктора Райана Шеннона опубликована в "Science".

Как родились самые яркие галактики Вселенной

Как выяснилось, самые яркие галактики в нашей Вселенной питаются тем, что всасывает их гравитация, а вовсе не благодаря взрывам при слиянии звездных систем, как считалось ранее. Об этом в среду заявили ученые в Nature.

Каким может быть наиболее полное объяснение того, как появились эти огромные скопления звезд и пыли? Ученые обнаружили, что галактики втягивали газообразный водород, а затем использовали его, чтобы накачивать в год до 2000 солнечных масс. Для сравнения: в Млечном Пути звезды появляются со скоростью около одного "Солнца" в год.

Ярчайший свет, испускаемый этими субмиллиметровыми галактиками (SMG) — названными по части электромагнитного спектра, который они используют — почти невидим для невооруженного глаза.

"Крупная галактика растет с помощью [втягивания] газа из межгалактического пространства и формирует звезды с устойчивой, но большой скоростью в течение почти миллиарда лет".
Десика Нараянэн (Desika Narayanan), Хаверфорд-Колледж США, соавтор работы.

Эти галактики датируются первыми годами нашей Вселенной (примерно 14 миллиардов лет), но исследователи узнали о них лишь в последние десятилетия. Такая яркость, в 1000 раз превышающая светимость Млечного пути, возникает благодаря их плодовитому звездообразованию.

Распределение плотности газа в модели звездообразования галактики, диаметр которой около 650000 световых. Экстремальные формирование звезд в центральной галактике подпитывается значительным притоком газа, что делает ее очень яркой Фото: Десика Нараянан

Ученые не согласны с одной из излюбленных теорией рождения SMG: они вытекают из массивных галактик, соединяющихся и взрывающихся с интенсивным образованием звезд. Нараянан заявляет, что эта гипотеза не может объяснить всех свойств сверхярких галактик, особенно их относительно большие размеры, так как слияния, как правило, создают довольно компактные галактики.

Чтобы проверить свое объяснение, основанное на гравитации, Нараянан и его коллеги использовали суперкомпьютеры для моделирования создания SMG и обнаружили, что галактики выросли, втягивая газ, который затем использовался для формирования новых звезд, излучавших благодаря своей молодости исключительные количества света.

Распределение галактик в инфракрасной области света. Цвета обозначают плотность газа Фото: Роберт Томпсон (NCSA)

Исследование показало, что слияния не оказывали значительного влияния на звездообразование, даже если SMG включали группы галактик, увеличивающие их яркость.

"Галактики коллективно увеличивают локальную светимость и создают чрезвычайно яркую систему". Нараянан

Моделирование было настолько сложным, что только для части вычислений потребовалась сеть из тысяч компьютеров, работавших больше месяца. Команда создала также модели для отслеживания того, как свет будет двигаться через эти вновь созданных галактики, так как нужно было увидеть, будет ли результат имитации похож на реальность.

"Эти результаты представляют собой на сегодня одну из самых жизнеспособных моделей для одного из самых загадочных свойств (Пространства), о котором мы знаем".
Нараянан.

Исследователи были изумлены, обнаружив, что, по их расчетам, субмиллиметровые галактики остаются сверхяркими почти миллиард лет. Как правило, интенсивно светящиеся объекты во Вселенной сгорают относительно быстро - всего за десятки миллионов лет.

Фильм показывает в инфракрасном свете звездообразование в ранней Вселенной. Модель предполагает, что ярко светящиеся регионы, наблюдаемые в субмиллиметровые телескопы, часто состоят из групп галактик ранней Вселенной, которые в еще будут расти и создавать массивные скопления Видео: Роберта Томпсона (NCSA)

Источник: nature.com

Пылающая космическая роза диаметром 15 световых лет

Европейская южная обсерватория выложила сегодня новый снимок области звездообразования Messier 17 - одно из подробнейших изображений региона в созвездии Стрельца. Фотография целиком показывает туманность, у которой несколько имен: М 17 (NGC 6618) называют то Омегой, то Лебедем, то Подковой, то Лобстером. От Земли Messier 17 отделяют 5500 световых лет.

Официальное название туманности - Messier 17, означающее, что это 17-й объект, который в 1764 году был внесен Шарлем Мессье, французским астрономом, в его каталог.

Но первые данные о туманности, полученные еще в 1745 году, за 19 лет до Мессье, принадлежат астроному из Швейцарии Жан-Филиппу Луа де Шезо. Он составил также список туманностей и отправил в 1746 году в Париж, в Академию наук Франции. Однако посланию не придали большого значения. Поэтому Мессье обнаружил эту туманность вторично, независимо от первоткрывателя.

Туманность Messier 17 Фото: ESO

Как бы ни называли Messier 17, необыкновенная красота объекта диаметром 15 световых лет впечатляет. На фото видна не только сама туманность. Перед нами ее ближайшее окружение с бесчисленными звездами.

Типичны краски области звездообразования Messier 17: пласты, похожие на лепестки космической розы, светятся красным - признак газообразного водорода, сияющего под воздействием молодых горячих звезд. Их интенсивное ультрафиолетовое излучение ионизирует газ туманности. В результате у атомов отрываются электроны. Если атомы их потом опять ловят, высвобождается энергия в виде света. При этом каждый химический элемент испускает совершенно определенный цвет. А газообразный водород создает здесь типичное красноватое свечение.

В центре туманности цвета кажутся немного светлее. Это не оптический обман, а результат смеси света горячего газа с отраженным от пыли светом звезд.

Газ в Messier 17 более чем в 30000 раз превышает солнечную массу. Внутри туманности находится открытое звездное скопление с каталожным номером NGC 6618, состоящее из 35 звезд. Однако в самой туманности их значительно больше - астрономы насчитывают здесь примерно 800 ярчайших солнц. Бросаются в глаза и тянущиеся сквозь туманность темные полосы пыли.

Изображение выполнено на основе данных широкоугольной камеры Wide Field Imager, стоящей в Ла-Силла на 2.2-метровом телескопе, принадлежащем MPG/ESO. Наблюдения проводились в рамках программы Cosmic Gems, использующей время телескопа, не занятое научными исследованиями, для съемки интересных объектов, таких, как эта пылающая космическая роза.

Найден объект нового класса - "средних" черных дыр

Фото: ESO

Астрономы предполагали существование "средних" черных дыр, но никогда их не находили.

По мнению ученых, черные дыры бывают либо малых, либо больших размеров, но новое исследование приближает нас к подтверждению существования "средней" черной дыры.

Известно около полудюжины кандидатов в класс "средних" черных дыр, однако, их существование требовало конкретного подтверждения. Исследователи обнаружили доказательства новой, промежуточной массы черной дыры, превышающей массу Солнца приблизительно в 5000 раз. Ее величина находится между черными дырами, имеющими звездную массу в несколько десятков раз больше солнечной, и сверхмассивными черными дырами размером в несколько млрд. солнечных масс.

Изображение, полученное с Very Large Telescope Европейской южной обсерватории, показывает центральную область галактики NGC1313, где может находиться "средняя" черная дыра Фото: ESO

"Эта работа подтверждает аргумент в пользу существования третьего класса - черных дыр со "средней" массой".
Ведущий автор работы Дирадж Паша (Dheeraj Pasham)

Новый кандидат в класс черных дыр с промежуточной массой, получивший название NGC1313X-1 - ультраяркий рентгеновский источник. Он является одним из ярчайших видимых объектов дальней Вселенной. Наблюдая за ним, исследователи заметили две вспышки, повторяющиеся в постоянном темпе, которые могут быть вызваны воздействием на объект, находящийся рядом с черной дырой, ее сильной гравитацией. Одна вспышка мигала 27,6, а другая 17,4 раза в минуту. Это идеальное отношение 3:2, что позволяет рассчитать массу объекта.

" По аналогии с акустическими инструментами можно представить, что черные дыры малой звездной массы - это скрипка, а сверхмассивные - контрабас, тогда черные дыры с промежуточной массой - виолончель".
Соавтор работы Франческо Томбези (Francesco Tombesi)

Исследователи надеются, что выявление с помощью нового рентгеновского спутника NICER, запуск которого планируется НАСА на 2016 год, других ультраярких рентгеновских источников, мигающих с устойчивым интервалом 3: 2, приведет к пополнению списка кандидатов в класс черных дыр, имеющих промежуточную массу.

Источник: Astrophysical Journal Letters