Древнее газовое облако несет следы первых звезд

Заглянем назад, когда во Вселенной прошло только 1,8 млрд лет после Большого Взрыва.

Астрономы заметили в далеком космосе газовое облако, хранящее до сих пор следы самых первых звезд. Образования тяжелых элементов в нем не происходило - те могли попасть в облако только при взрывах сверхновых звезд первой популяции. Это удивительно, так как за популяцией III звезд непосредственно до сих пор никто не наблюдал, и поэтому вряд ли о них что-то известно.

Вначале был водород

После Большого Взрыва большинства химических элементов еще не существовало. В этот ранний период Вселенной самопроизвольно возникали только водород и незначительное количество гелия. Все другие виды атомов появились только путем ядерного синтеза тяжелых металлов в первом, недолговечном звездном поколении, так называемой популяции III звезд.

Древнее газовое облако

"Эти первые звезды состояли из чистого первозданного газа и, возможно, формировались совершенно иначе, чем сегодняшние звезды".
Нил Крайтон (Neil Crighton) - Технологический Университет Суинберна

Но так как эти массивные звезды-гиганты примерно через 2 млн. лет выгорели и взорвались как сверхновые, астрономы не могли их непосредственно наблюдать. Так далеко наш взгляд не проникает.

Доля тяжелых элементов в газовом облаке LLS1249 - чем больше синего и фиолетового, тем беднее металлом эта область
Фото: © Britton Smith, John Wise, Brian O'Shea, Michael Norman,Sadegh Khochfa

Однако теперь Крайтон и его коллеги, задействовав Very Large Telescope в Чили, обнаружили остаток этой первой звездной популяции: газовое облако почти без тяжелых элементов, появляющихся при взрывах первых звёзд. Газовое облако LLS1249, вероятно, существовало уже через 1,8 млрд лет после Большого Взрыва, а его свет дошел до нас только сейчас.

"Загрязненное" первыми звездами?

Световой спектр облака показывает, что оно содержит примерно одну 2500-ую тяжелых элементов нашего Солнца.

"Ранее известные далекие газовые облака показывали более высокое содержание этих элементов. Это первое облако, которое точно содержит крошечное количество тяжелых элементов, какое можно было ожидать при обогащении только от первых звезд".
Нил Крайтон

По оценкам астрономов, это могло быть газовое облако, первоначально состоящее только из древнего газа, богатого водородом. Когда взорвались первые звезды, с ним смешались углерод, кислород и другие более тяжелые продукты синтеза.

Кольцевая ударная волна сверхновой наталкивается на газовые нити
Фото: © Smith, Wise, O'Shea, Norman, Khochfar

Коварное смещение

Однако исследователи отмечают, что только на основании присутствия элементов нельзя исключать вклад второго поколения звезд. Но есть признак, говорящий в пользу происхождения III популяции: более тяжелые элементы в облаке передвигаются с несколько иной скоростью, чем атомы водорода - и это смещение является одинаковым для всех.

"Этот сдвиг имеет во всех этих элементах одинаковый размер и направление и свидетельствует, что только одно единственное событие было виновником привнесения этих примесей в газообразный водород".
Нил Крайтон и его коллеги

Это мог быть ряд почти одновременных взрывов сверхновых популяции III звезд.

Источник: arxiv.org

Гигантское скопление галактик удивило астрономов

Далекий гигант является крупнейшим известным кластером галактик ранней Вселенной

Астрономы нашли настоящий гигант молодой Вселенной: скопление галактик, которое превышает по массе Млечный Путь в тысячу раз и включает в себя тысячи отдельных галактик. Этот кластер, найденный в десяти миллиардах световых лет, имеет 280 трлн солнечных масс и является крупнейшей известной структурой ранней Вселенной. Он существовал в то время, когда по современной теории таких гигантов не могло быть.

Скопления галактик - одни из крупнейших структур в Космосе. Они настолько массивны, что после Большого Взрыва могли пройти миллиарды лет, пока не возникло достаточно звезд и галактик для образования этих гигантов. Хотя астрономы обнаружили несколько лет назад кластер галактик в возрасте 13,1 млрд лет, но выяснилось, что он еще только растет и включает всего пять небольших звездных скоплений.

Составное изображение скопления галактик IDCS J1426.5 + 3508 в рентгеновском, инфракрасном и видимом свете Фото: © NASA/CXC/Университет Миссури/ Бродвин и др., NASA/STScI, JPL/CalTech

Молодой великан

Марк Бродвин (Mark Brodwin) и его коллеги по Университету Миссури в Канзас-Сити отследили настоящий гигант среди скоплений галактик - он оказался, к тому же, удивительно старым: кластер IDCS J1426.5+3508 связал друг к другом гравитационным эффектом тысячи отдельных галактик.

"Эти кластеры как мощные города на небе, где все галактики живут вплотную друг к другу".
Майкл Макдональд (Michael McDonald), соавтор статьи, Массачусетский технологический институт (MIT)

Удерживаясь взаимным притяжением и влиянием большого количества темной материи, галактики образуют характерные скопления, которые пронизывают Вселенную вдоль космических нитей. Млечный Путь является частью такого кластера.

Рентгеновские данные показывают, что самые яркие источники излучения находятся сбоку, рядом с центром скопления галактик Фото: © Бродвин и др.

Слишком стар для теории

"При этом открытии мы действительно натолкнулись на границы. Будучи одной из самых ранних массивных структур, которые формировались во Вселенной, этот кластер задает очень высокую планку для теорий, которые пытаются объяснить эволюцию галактик и их скоплений".
Марк Бродвин

Такие гиганты, как IDCS J1426.5 + 3508, по принятой теории не могли так рано существовать - они просто слишком большие.

"Первые галактики начали формироваться, вероятно, только когда Вселенная уже относительно сильно охладилась - и вскоре после этого возник этот кластер".
Майкл Макдональд

Снимки рентгеновского телескопа Chandra показали, как это скопление галактик могло так быстро вырасти. На них можно увидеть, что место с самыми плотными и яркими рентгеновскими источниками находится не в середине кластера, как обычно, а возле него, с боку.

Рост в результате столкновения?

Астрономы полагают, что это признак того, что скопление галактик так быстро увеличилось из-за столкновения с другим.

"В ранней Вселенной такие слияния галактик и скоплений должны были встречаться еще очень часто. Для быстрого развития данного молодого скопления, это, видимо, сыграло важную роль".
Майкл Макдональд

Есть также данные, полученные астрономами на основе световых спектров IDCS J1426. Они показывают, что в скоплении галактик горячий газ содержит необычно малую долю элементов, тяжелее водорода и гелия. Это свидетельствует о том, что тогда лишь немногие звезды кластера завершили свой ​​жизненный цикл и вытолкнули тяжелые элементы в Космос в процессе взрывов своих сверхновых. Видимо гигант по-прежнему растет.

Удивительная стройка

"Этот кластер как стройплощадка – он беспорядочен, грязен и и во многом еще не завершен".
Майкл Макдональд

Однако именно поэтому он дает астрономам ценную информацию об том, как Вселенная выглядела в этой ранней фазе, и как она превратилась в такую, как сегодня. Хотя уже было обнаружено несколько скоплений галактик, относящихся к этой эре, но ни одна, однако, не была так массивнна, как IDCS J1426.5+350.

"Наличие этого массивного скопления галактик в ранней Вселенной, хотя и не противоречит нашей прежней теории космологии, но оно дает нам больше информации, которая нам может помочь улучшить наши модели".
Энтони Гонсалес (Anthony Gonzalez), Университет Флориды

Источник: Massachusetts Institute of Technology/ NASA

Первая обширная карта возраста звезд Млечного Пути

Благодаря новым методам определения возраста звезд астрономы впервые отобразили крупномасштабную возрастную структуру нашего Млечного Пути. Для этого они определили возраст почти 100000 красных гигантов - звезд, находящихся на расстояниях до 50000 световых лет от галактического центра. Таким путем астрономы Института астрономии Макса Планка, возглавляемые Мелиссой Несс (Melissa Ness) и Мари Мартиг (Marie Martig), смогли проверить основные сегодняшние представления о нашей родной галактике. В частности, карта подтверждает, что расширение Млечного Пути происходило от центра к его краям и поэтому сегодня наиболее древние звезды находятся во внутренних районах.

С помощью обширных исследований последних десятилетий получены данные о миллионах астрономических объектов. Поэтому ученые смогли проводить крупномасштабную обработку немыслимых ранее объемов, являющуюся всего лишь доступным для этих целей инструментом. Мелисса Несс и Мари Мартиг внесли в число астрономических инструментов два важных дополнения: с помощью данных АПОГЕЙ-скрининга (части обзора Sloan Digital Sky) и космического телескопа Кеплер они разработали два независимых друг от друга метода определения возраста красных гигантов непосредственно по их спектрам (то есть по световым признакам звезд).

Это позволило астрономам определить возраст почти 100000 красных гигантов и создать совершенно новую карту Млечного Пути: распределение по возрасту показывает, где в Галактике находятся старые, звезды среднего возраста или самые молодые. Карта представляет собой поперечный разрез основных галактических регионов от центра до окраин, удаленных на 65000 световых лет.

Возрастное распределение красных гигантов по Млечному Пути показано на модели галактики, подобной нашей. Цвета соответствуют разному возрасту звезд: красный - самым старым, зеленый - звездам среднего возраста, а синий - самым молодым. Распределение по возрасту, включая заметную концентрацию более старых звезд в направлении центра, подтверждает данные нынешних моделей развития Галактики
Фото: М. Несс и Г. Стинсон / MPIA

Такая карта делает возможным тестирование моделей развития Млечного Пути, предсказывающее, например, что формирование звездных дисков, в которых находится большинство звезд в галактиках, похожих на нашу, происходило от центра к окраинам. Исходя из этого, около галактического центра должны располагаться более старые звезды, а по направлению к краям - всё более молодые. Карта подтверждает именно это распределение.

Как только будут получены результаты текущих наблюдений APOGEE-2 или работы спутника ЕКА Гайя, астрономы смогут, вероятно, с помощью методов, разработанных Несс и Мартиг, реконструировать историю возникновения звезд Млечного Пути в целом: сколько звезд появилось в разные периоды нашей галактической истории, в каких регионах это происходило, и как звезды изменили исходный материал нашей Галактики возникающими в них более тяжелыми химическими элементами. Такие изменения и наличие тяжелых элементов являются необходимым условием для образования планет и, в конечном счете, живых организмов.

Источник: mpia.de

Межзвездные цивилизации нужно искать в шаровых скоплениях

Шаровые звездные скопления - это плотно заполненные миллионами звезд старые кластеры, почти ровесники Млечного Пути. Их размер составляет в среднем лишь около 100 световых лет. Астрофизики, представившие свое исследование на недавней пресс-конференции CfA, предполагают, что космические цивилизации нужно искать именно там.

"Шаровое скопление может оказаться первым местом, где будет идентифицирована разумная жизнь в нашей галактике".
Розанна Ди Стефано (Rosanne DiStefano), ведущий автор исследования (CFA)

В Млечном Пути (в основном, на окраинах Галактики) приблизительно 150 шаровых скоплений, образовавшихся где-то 10 млрд лет назад. Поэтому в их звездах содержится меньше тяжелых элементов, считающихся необходимыми для возникновения планет (таких как железо и кремний). Они должны быть созданы поколениями звезд, существовавших гораздо раньше. Ряд ученых утверждает, что это делает такой кластер менее вероятным местом рождения планет. Действительно, пока в шаровом скоплении отыскали только одну планету.

Такие кластеры, как шаровое звездное скопление 47 Тукана, могут быть отличным местом для поиска межзвездных цивилизаций
Фото: НАСА, ЕКА и Наследия Хаббла

Однако Ди Стефано и Алэк Рэй (Alak Ray) - ее коллега по Институту фундаментальных исследований, находящемуся в Тата, Мумбаи, считают, что это представление слишком пессимистично. Экзопланеты найдены в планетарных системах звезд, лишь на одну десятую более богатых металлом, чем Солнце. А планеты размера Юпитера преимущественно находятся вокруг звезд с большими уровнями тяжелых элементов. Исследователи полагают, что небольшие землеподобные планеты не демонстрируют такого предпочтения.

"Преждевременно говорить, что шаровые скопления не имеют никаких планет".
Алэк Рэй

Кроме того, переполненная среда шарового скопления угрожала бы любым образующимся планетам. Соседняя звезда могла находиться слишком близко и своей гравитацией разрушить систему планет, выбросив их в ледяное межзвездное пространство.

Однако обитаемая зона звезды (расстояние, при котором планета была бы достаточно теплой для жидкой воды) зависит от светимости звезды. У более ярких солнц эти зоны более отдаленные, а у более тусклых они должны находиться намного ближе. Срок жизни ярких звезд меньше, поэтому в шаровых скоплениях они уже вымерли, и там преобладают слабые светила, красные карлики, живущие долго. Их любые потенциально обитаемые планеты вращались бы поблизости. Для них воздействие звезд было бы относительно безопасным.

"После того, как планеты сформируются, они смогут прожить длительное время, даже дольше, чем сегодняшний возраст Вселенной".
Розанна Ди Стефано

Если же в шаровых скоплениях звезд обитаемые планеты могут формироваться и выживать на протяжении миллиардов лет, то каковы там были бы последствия для развивающейся жизни? У жизни хватило быо времени стать более сложной и, возможно, даже развить интеллект.

У такой цивилизации была бы совсем другая окружающая среда, не такая, как у нас. Ближайшая звезда к нашей Солнечной системе в четырех световых годах или 24 триллионах миль. А путь к самой близкой звезде в шаровом скоплении, возможно, окажется приблизительно в 20 раз короче - всего один триллион миль. Это значительно упростило бы межзвездную коммуникацию и исследования.

"Мы называем это 'возможностью шарового скопления'. Отправка передачи между звездами заняла бы не больше времени, чем письмо из США в Европу в 18 веке. (...) Межзвездное путешествие потребовало бы тоже меньше времени. Вояджеры удалились от Земли на 100 миллиардов миль или на одну десятую того, сколько было бы до ближайшей звезды, если бы Земля была в шаровом скоплении. Это означает, что цивилизация, имеющая наш технологический уровень, могла бы в шаровом скоплении отправить межзвездный зонд".
Розанна Ди Стефано

Удаленность ближайшего шарового скопления на несколько тысяч световых лет затрудняет поиск планет, особенно в переполненном ядре кластера. Но их можно обнаружить, используя транзит, на его окраине. С помощью гравитационного линзирования, при котором гравитация планеты увеличивает свет находящегося за ней объекта, астрономы могли бы даже определить свободно плавающие планеты.

Можно также применить для шаровых скоплений методы поиска радио или лазерных передач, используемых SETI.

Источник: cfa.harvard.edu

Слияние галактик породило голодную черную дыру без звезд

Необычная черная дыра, возникшая на месте двух слившихся галактик и лишившаяся звезд, показывает, что эти массивные гравитационные пустоты могут тоже потерять вес.

Недавно обнаруженная черная дыра без обычного количества звезд, может обеспечить новый взгляд на эволюцию и поведение черных дыр, говорится в недавно опубликованном исследовании Университета Колорадо в Боулдере.

Результаты были объявлены во время брифинга для журналистов ежегодного собрания Американского астрономического общества (AAS), которое проводится на этой неделе в Киссимми, штат Флорида.

Сверхмассивные черные дыры присутствуют в центрах большей части крупных галактик - Млечный путь - тоже не исключение - и имеют 1000000-1000000000 солнечных масс. Масса черной дыры соизмерима обычно с массой ее галактики, и каждая черная дыра окружена большим количеством звезд.

Изображение галактики SDSS J1126 + 2944 создано на основе снимков Хаббла и Чандры. Стрелка указывает на черную дыру, которая потеряла большинство своих звезд в связи с гравитационными процессами

Галактика SDSS J1126 + 2944 стала результатом слияния двух галактик значительно меньших размеров, которые объединили пару сверхмассивных черных дыр. У одной из них оказалось типичное число звезд, а другая, "голодная", выглядит странно "голой", так как имеет гораздо в 500 раз меньшее число связанных с нею звезд, чем ожидалось, пояснила Джули Комерфорд (Julie Comerford), доцент кафедры астрофизических и планетарных наук Университета Колорадо в Боулдере, ведущий автор исследования.

"Вопрос в том, почему существует такое расхождение".
Джули Комерфорд

Одна из возможностей в том, что при слиянии галактик чрезвычайные гравитационные и приливные силы просто лишили одну из найденных черных дыр большинства звезд.

Другая - что слияние фактически показывает редкую черную дыру с промежуточной массой в 100-1000000 раз превышающей солнечную. Черные дыры промежуточных масс, по прогнозам, существуют в центрах карликовых галактик и, следовательно, имеют меньшее число связанных звезд. Они могут расти и однажды стать сверхмассивными черными дырами.

"Теория предсказывает, что промежуточные черные дыры должны существовать, но их трудно определить, так как мы точно не знаем, где искать. Эта необычная галактика может обеспечить редкую возможность взглянуть на одну из таких черных дыр, обладающих промежуточной массой".
Скотт Барроуз (Scott Barrows), соавтор исследования

Если галактика SDSS J1126 + 2944 действительно содержит промежуточный черную дыру, в этом случае она дает исследователям возможность проверить теорию развития сверхмассивных черных дыр из этих "семян" черных дыр, характеризующихся меньшими массами.

Источник: colorado.edu

В центре Млечного Пути нет никаких фейерверков

Центр Млечного Пути, находящийся от нас приблизительно в 25000 световых лет, в оптическом свете нам невидим из-за поглощаемой пыли. Однако сквозь нее может проникать излучение на многих других длинах волн, в том числе инфракрасное, радиоволны и рентгеновские лучи.

Что находится в центре Млечного Пути

Находящаяся в самом сердце центра Галактики сверхмассивная черная дыра, Сага *, превышает по массе солнечную примерно в 4000000 раз. Это относительно тусклый объект, немного мерцающий из-за небольших сгустков вещества беспорядочно аккрецирующихся на окружающем его диске. Сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в других галактических центрах, активно аккумулируют и нагревают большие объемы материи, а затем испускают мощные биполярные струи быстро движущихся заряженных частиц. SagA * отличает от них общая пассивность.

На инфракрасном изображении области вокруг ядра Млечного пути отмечено расположение сверхмассивной черной дыры SagA *, слабо светящейся из-за аккреции вещества; другие объекты - это звезды либо плотные облака, которые могут вращаться вокруг черной дыры или находиться в ее непосредственной близости Фото: Stefan Gillessen

Облака газа в центре Млечного пути

Несколько лет назад астрономы заметили большое облако газа (по оценкам, размер ее соответствует трем земным массам), довольно быстро движущееся к SagA *. Согласно некоторым моделям, черная дыра должна была разрушить облако (известное как G2) в течение 2015 года. Излучение, сопровождающее это явление, могло пролить свет на механизмы питания черной дыры. Но год прошел без фейерверков, возможно, из-за слишком большой плотности облака G2, не позволяющей его разбить.

Астроном CfA Майкл Маккорт (Michael McCourt) и его коллега признали, что продолжающееся рентгеновское излучение от SgrA * подразумевает уровень притока вещества из окружающей среды в несколько земных масс в год, но этот показатель противоречит почти всем другим измерениям, включая, общую светимость SgrA *. Поиск возможного решения потребовал выяснения распределения газа, находящегося вблизи черной дыры - то есть на меньшем удалении, чем расстояние Земля-Солнце. Ученые поняли, что для исследования внутреннего газа они могли бы использовать изменения в орбите G2, прошедшего сквозь эту среду.

Даже если объект не был проглочен, его путь должен был измениться. Исследователи использовали для определения некоторых параметров и второе маленькое облако в системе, G1, так как оба объекта в течение года двигались вокруг SgrA * по довольно эксцентричным, почти компланарным орбитам.

Ученые смоделировали незначительные изменения орбитальных параметров движения G1 и G2, предположив, что они были обусловлены столкновениями с местным веществом. Анализ дал первое измерение оси вращения аккреционного потока и указал его источник. Им оказались не присутствующие там звездные ветры, а большой тор молекулярного газа, находящийся от черной дыры приблизительно в четырех световых годах. Результат стал важным ключом к природе среды вокруг черной дыры. Некоторые наблюдавшиеся последствия могут быть проверены в течение следующего десятилетия, в том числе будущие пути G2 и G2 и геометрия выбросов вблизи границы черной дыры.

Источник: cfa.harvard.edu

Что ожидает читателей сайта "АСТРОновости" в 2016 году?

Какие тенденции и главные научные темы будут ждать читателей "АСТРОновостей" в этом году? Присоединившись к прогнозу журнала "Nature", смеем утверждать, что у физиков в 2016 году есть шанс, впервые подтвердить существование гравитационных волн. Кроме того, должен стартовать космический зонд, работающий на солнечной энергии.

Доказательство существования гравитационных волн

В астрофизике нас может порадовать замечательное событие: физики считают, что уже в этом году вполне возможно первое непосредственное подтверждение гравитационных волн - волн пространства-времени, которые возникают при взрывах сверхновых, либо из-за слияния черных дыр. До сих пор существование этих волн, предсказанных Альбертом Эйнштейном, доказывается лишь косвенно, например, через потери энергии космических объектов.

Детектор гравитационных волн VIRGO в Италии Фото: © VIRGO Collaboration

В 2016 году два детектора гравитационных волн смогут непосредственно их ловить:

1. Детектор LIGO в США был перестроен в 2015 году и стал сейчас в десять раз чувствительнее, чем раньше.
2. Детектор VIRGO в Италии также должен быть введен в эксплуатацию.

Оба могут захватывать гравитационные волны из намного большей области космического пространства - и это невероятно увеличивает шанс их обнаружить. Поэтому исследователи практически уверены, что с помощью этих детекторов смогут в течение этого года обнаружить доказательства гравитационных волн.

Космические полеты: Марс, Юпитер и запланированная катастрофа

В марте 2016 стартует к Красной планете европейско-российская миссия ExoMars. В нее войдут орбитальный аппарат и простой спускаемый. ExoMars должна стать предшественником более крупной межпланетной миссии, запланированной на 2018 год.

В апреле Планетарное общество (Planetary Society) планирует первый испытательный полет огромного солнечного паруса космического зонда Lightsail.

Движимый солнечным парусом космический корабль Lightsail должен быть запущен в апреле 2016 Фото: © Josh Spradling/The Planetary Society

В июне 2016 года космический аппарат НАСА Juno после пятилетнего путешествия достигнет Юпитера. Кроме того, в июне стартует на околоземную орбиту Земли первый спутник для тестирования квантовой связи .

Космический аппарат НАСА Juno в июне достигнет Юпитера Фото: © NASA/JPL

В этом году мы должны также попрощаться с космическим зондом ЕКА Rosetta, который в сентябре 2016 должен встретиться со "своей" кометой и разбиться. Это дает астрономам последний шанс увидеть вблизи и исследовать поверхность кометы.

Источник перевода: nature.com

При выборе надежной платформы в Сети, которая помогает делать перевод документов, конвертирование PDF-файлов в файлы Word, Excel и изображения, а также объединение PDF, обратите внимание на Docs.Zone! Многие пользователи предпочитают этот ресурс, так как считают его надежным и удобным.