У кого z больше Ученые ищут инопланетян и меряются красными смещениями в астрообзоре «Ленты.ру»

Где искать источник «инопланетных» всплесков и почему молчат астрономы? У кого z больше? Кто ответит за реионизацию и при чем здесь Большой взрыв? Об этом и многом другом — в обзоре мартовских достижений астрофизиков, подготовленном «Лентой.ру».

В последние недели много говорили о так называемых быстрых радиовсплесках (Fast Radio Burst, FRB) — небесном явлении, открытом радиоастрономами в 2007 году.

FRB — это короткие (около 5-10 миллисекунд), единичные, весьма яркие и непредсказуемые как во времени, так и на небе вспышки радиоизлучения. Они были обнаружены (и по большей части регистрируются) на стандартной для многих радиообзоров волне длиной 21 сантиметр. Открыли их случайно и сегодня регистрируют в рамках таких обзоров неба, в которых телескоп наводится на какой-либо его участок и как можно дольше ведет непрерывные наблюдения в надежде на очередной всплеск.

Всего на данный момент зарегистрировано 18 таких событий. Их природа неясна, и рождаются они, скорее всего, за пределами нашей Галактики.

Каждый всплеск состоит из радиоволн разной длины. Путешествуя от источника до нас, он распространяется в межзвездной среде, заполненной ионизированным газом — плазмой.

Значит, возникает дисперсия: коротковолновая часть импульса движется быстрее и со временем опережает длинноволновую. Тем сильнее, чем дольше длится путешествие. Когда же мы наконец регистрируем импульс, по задержке между приходом разных его компонентов можно определить... нет, не расстояние до источника. Вернее, и расстояние тоже, но не очень точно, ибо не все так просто.

Дело в том, что разница скоростей разных частей импульса зависит от локальной плотности той плазмы, через которую он проходит. Где-то по пути она может быть больше, а где-то меньше. Таким образом, измеряя накопленную разницу, мы можем судить лишь об интегральной плотности заряженных частиц на луче зрения. Другими словами — о том, мимо какого количества электронов (в основном) пришлось пролететь импульсу.

В то же время мы знаем количество свободных зарядов в пределах нашей Галактики — из других исследований нашего звездного дома. И мы знаем, что радиоимпульс, рожденный «у нас», не может быть диспергирован сильнее определенного порога. А дисперсия FRB превосходит этот порог! Что заставляет подозревать их во внегалактическом происхождении.

Полоснули

Несмотря на целую серию статей, быстрые радиовсплески оставляют больше вопросов, чем ответов. Так, группа астрономов на страницах журнала Nature сообщила о том, что им удалось обнаружить медленно гаснущее послесвечение нового (от 18 апреля 2015 года) всплеска и, более того, удалось установить галактику, в которой этот всплеск произошел!

Это заявка на очень серьезный результат. Ведь существует проблема точной локализации радиовсплесков на небе, так как разрешающая способность радиотелескопов не очень высока. Это не позволяет проверить, есть на месте всплеска какой-то уже известный объект (например, галактика) или нет. Но в данном случае в пределах области вероятной локализации ученые обнаружили новый радиоисточник. С точки зрения наблюдателей он возник «сразу» после FRB и был виден в течение недели, постепенно ослабевая. Это очень знакомо астрономам: яркая вспышка, а затем затухающее послесвечение. Сверхновые, например, ведут себя так же.

Так вот, этот новый, затухающий источник оказался связан со сравнительно близкой (z ~ 0,5) галактикой.

То есть авторы претендовали на то, чтобы напрямую продемонстрировать космологическое происхождение FRB. Публикация успела произвести небольшой фурор в сообществе, но довольно быстро несколько авторов указали коллегам на то, что рассматриваемая галактика, вообще говоря, переменна сама по себе.

По-видимому, она относится к классу активных галактических ядер — звездных систем с аккрецирующей сверхмассивной черной дырой в центре. Это весьма неспокойные объекты, способные за несколько дней или недель сильно поменять свою яркость. Что, скорее всего, и произошло. И значит, наблюдавшееся послесвечение вряд ли связано с FRB 150418. Разумеется, это обстоятельство не отменяет результат, полученный на Аресибо. Но заметно снижает его значение.

В общем, существенным продвижением в разгадке быстрых радиовсплесков будет определение их местоположения на небе с очень высокой точностью. Сами радиотелескопы по большей части не отличаются высоким пространственным разрешением, но их сети (интерферометры), а также отдельные конструктивные решения этого недостатка лишены.

И 17 марта пришли новости как раз от одного из таких телескопов — MOST (Molonglo Observatory Synthesis Telescope) в Австралии. Этот телескоп представляет собой пару длинных (более 700 метров) радиоантенн, вытянутых по направлению восток — запад и разнесенных на 15 метров. Такая схема позволила существенно повысить точность определения местоположения обнаруженного всплеска. Увы, пока только по одной из небесных координат. Это еще не достижение, но уже многообещающий результат.

Не успели затихнуть пересуды о родительской галактике FRB, как новые данные заставили усомниться в том, что быстрые всплески — единичные события. Астрономы, работающие с 300-метровым радиотелескопом в Аресибо (Пуэрто-Рико), зарегистрировали 10 повторяющихся быстрых радиовсплесков за несколько часов с одного и того же направления. Причем наблюдаемая область неба была выбрана неслучайно — именно оттуда 2 ноября 2012 года пришел один из FRB. И повторные импульсы, о которых рапортуют исследователи, по своим характеристикам очень похожи на то событие.

Большая часть теорий, объясняющих это явление, предполагает, что всплески рождаются в рамках неких катастрофических событий в мире звезд — взрывов, слияний. В общем таких, после которых система качественно меняет свое состояние и больше ничего подобного выдать не может.

Но повторные наблюдения участков неба, где были обнаружены некоторые другие всплески, ранее не давали положительных результатов. Так что либо физика FRB гораздо разнообразнее, чем мы можем себе представить, либо вообще действует несколько (как минимум два) механизмов генерации похожих по своим свойствам всплесков. И эти механизмы необязательно связаны друг с другом.

Куча-мала

Международная (включающая представителей шести стран) группа астрономов объявила об открытии яркой галактики GNz-11 на красном смещении z =11,1 по результатам наблюдений на телескопе Hubble.

Согласно современной космологической модели, столь большое z соответствует возрасту Вселенной в 400 миллионов лет (сегодня ей 13,7 миллиарда лет). Это делает обнаруженную галактику одной из самых далеких (и самых ранних) из известных на сегодняшний день.

Открытие произошло в ходе исследований кандидатов в галактики с z >10. Получая их спектры (правда, не самого высокого разрешения), ученые пытались как можно точнее определить красное смещение галактик и тем самым — расстояние до них. Столь далеких объектов с уверенно измеренным расстоянием известно пока немного, что усложняет жизнь теоретикам, конструирующим модели ранних этапов жизни Вселенной.

Но в самом по себе открытии еще одной очень далекой галактики, пусть даже самой далекой, еще нет ничего особенного. Здесь, быть может, самый важный результат — то, что эта галактика выглядит уж очень яркой по сравнению с нашими ожиданиями. Ее масса — около миллиарда солнечных. Это в сотни раз меньше массы нашего Млечного Пути, но все равно очень много для недавно сформировавшейся галактики.

Первые галактики образовывались в ходе коллапса того газа, который мы сегодня называем межгалактическим (тогда это был просто газ, заполняющий Вселенную, в основном — водород), под действием гравитации гигантских конгломератов темной материи (темных гало). Этот процесс занимает ощутимое время и собрать за «короткий» срок (400 миллионов лет) более миллиарда солнечных масс материи очень сложно. Авторы исследования не обсуждают возможных физических причин этого противоречия, но возлагают большие надежды на космический телескоп James Webb, который уже через 3 года может прийти на смену Hubble. Тогда ученые и рассчитывают окончательно решить вопрос о расстоянии до GNz-11.

Эпоха есть, а фотонов нет

Интересная теоретическая работа была опубликована американскими и канадскими учеными, ищущими решение одной частной, но весьма важной космологической проблемы. История такова. Где-то через 380 тысяч лет после Большого взрыва электроны и протоны (а также небольшое количество ядер легких элементов), до этого не связанные друг с другом, рекомбинировали и образовали нейтральные атомы. Так Вселенная стала прозрачна для фотонов, которые, разумеется, тоже присутствовали в большом количестве. А фотонам в нейтральной среде легче перемещаться на большие расстояния, чем в ионизованной. Сегодня эти «освободившиеся» фотоны мы называем реликтовым излучением или космическим микроволновым фоном (Cosmic Microwave Background, CMB).

Прошло несколько сотен миллионов лет (не более 400-500 миллионов), возникли первые галактики, и в них зажглись первые звезды. Во Вселенной посветлело, а часть фотонов от вновь образовавшихся звезд принялась вновь ионизировать (то есть разрушать связь между протоном и электроном) нейтральный межгалактический газ. Этот процесс назвали реионизацией (а соответствующий этап жизни Вселенной — эпохой реионизации). В результате образовалась та горячая разреженная плазма, которую мы сегодня непосредственно наблюдаем в пространстве между галактиками.

Но есть в этой картине темное облачко. И даже не одно, а много сравнительно темных газопылевых облаков, окружавших первые звезды сразу после их образования. Эти облака задерживали значительную часть ионизирующего излучения, не давая ему добраться до межгалактического газа. Оценки, основанные на наблюдениях межгалактической среды, показывают, что из галактик должно было свободно выходить до 20 процентов всех ионизирующих фотонов. Но если мы посчитаем (промоделируем, как говорят физики) количество ионизирующих фотонов, которые могут выйти из типичной для того времени галактики, то получим величину где-то в 4-5 раз меньшую.

То есть мы явно недопонимаем процесс реионизации и что-то не учитываем в наших расчетах. И американские теоретики, кажется, нашли, что именно: мы не учитываем вклад двойных звезд в ионизационное излучение. Принципиально здесь то, что речь идет не о любых двойных, а о тех, которые со временем начинают обмениваться веществом (перетекающим с одной звезды на другую) либо вообще сливаются. Оба этих сценария приводят к тому, что через 3-4 миллиона лет после образования массивной двойной в этом же месте возникает еще одна как бы новая яркая массивная звезда. Она производит много ионизирующих квантов, но им уже не мешает первоначальное газопылевое облако. За эти 3-4 миллиона лет оно успело рассеяться. То есть энергичные фотоны почти беспрепятственно покидают свою галактику и летят навстречу пока еще нейтральному межгалактическому газу. И особенно замечательно то, что аккуратный учет популяции двойных звезд в молодой галактике позволил увеличить число ионизационных фотонов именно в недостающие 4-5 раз.