Группа астрономов из Чикагского университета обнаружила в нашей галактике следы сверхновой, взорвавшейся с нарушением известных законов физики. Это была древняя звезда, родившаяся на заре времён. По всем правилам она должна была закончить жизнь чёрной дырой, но вместо этого её разметало взрывом сверхновой по Вселенной.

Взрыв звезды Barbenheimer в представлении художника. Источник изображения: University of Chicago/SDSS-V/Melissa Weiss

Учёные назвали неизвестную звезду «Барбенгеймер» (Barbenheimer), увековечив тем самым популярный мем. Как невозможно сочетать рассказанные в фильмах «Барби» и «Оппенгеймер» истории, так и звезда Barbenheimer состоит из сплошных невозможных состояний.

Следует подчеркнуть, что Barbenheimer взорвалась достаточно давно. О её существовании и последствиях жизни на завершающем этапе учёные узнали по косвенным наблюдениям и благодаря моделированию. Так опытные сыщики узнают об особенностях преступления по оставленным на месте происшествия уликам. Останки Barbenheimer были обнаружены в спектре звезды J0931 + 0038. Это красный гигант сравнительно небольшой массы, который обнаружился в гало нашей галактики (не в плоскости Млечного Пути, а гораздо выше).

Химический состав J0931 + 0038 оказался настолько странным, что учёным пришлось моделировать условия её образования. Наиболее вероятной оказалась ситуация, когда звезда J0931 + 0038 образовалась из облака межзвёздного газа с неожиданным составом химических элементов. Расчёты показали, что прародительницей J0931 + 0038 должна была быть гигантская древняя звезда с массой от 50 до 80 солнечных масс. Парадокс в том, что звёзды подобной массы коллапсируют в чёрные дыры, а не разлетаются облаком синтезированных в их недрах веществ по окрестностям.

Если бы «Барбенгеймер» существовала, практически всё синтезированное в ней вещество должно было сжаться до возникновения чёрной дыры. Однако она стала настоящей сверхновой, сбросив оболочку, ставшей со временем колыбелью для рождения звезды J0931 + 0038. Отдельные факты наблюдаемого явления учёные ещё могут как-то объяснить, но всё вместе представляет загадку, которую ещё предстоит отгадать.

Большинство открытых экзопланет имеют устоявшиеся отношения с родительской звездой. Обычно это близкие к звезде планеты, ободранные излучением светила до какого-то стабильного состояния. Увидеть процесс взаимодействия звезды и близкой к ней экзопланеты на ранних стадиях процесса — это большая удача, что позволило бы воочию изучить эволюцию отношений. И такая планета обнаружена — это WASP-69 b в 160 световых годах от Земли.

«Экзопланета с хвостом» в представлении художника. Источник изображения: Adam Makarenko/W. M. Keck Observatory

Планета WASP-69 b была открыта ещё в 2018 году. Тогда астрономы заметили признаки гелия на удалении от планеты на её орбите. Группа учёных из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) решила заново проверить данные и воспользовалась для этого более мощным телескопом Обсерватории Кека на Гавайях.

Данные измерений показали, что за планетой WASP-69 b действительно тянется газовый хвост не короче семи диаметров планеты или примерно на 560 тыс. км. Моделирование показало, что атмосфера экзопланеты истекает в космос со скоростью 200 тыс. т в секунду. Одну земную массу WASP-69 b теряет примерно за каждые миллиард лет. Это планета-гигант — так называемый горячий юпитер — и подобные потери ей нестрашны.

«Мы подозреваем, что для большинства известных экзопланет период потери атмосферы давно закончился, — сказал соавтор исследования Эрик Петигура из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. — Система WASP-69 b — это драгоценный камень, потому что у нас есть редкая возможность изучать потерю массы в атмосфере в режиме реального времени, что ведёт к пониманию важнейших физических процессов, которые формируют тысячи других планет».

Экзопланета WASP-69 b совершает один оборот по орбите всего за 3,9 суток. Она очень близко расположена к своей звезде, и излучение центрального светила буквально сдувает с неё вещество. Этот процесс настолько сильный, что планета выглядит как комета. Вблизи это было бы грандиозное зрелище.

Новое исследование несостоявшихся звёзд — коричневых карликов — позволило впервые обнаружить признаки невиданного ранее феномена. На одном из объектов проявились признаки полярного сияния, что невозможно было предположить даже в принципе. На соседних с звёздами планетах сияния ионосферы — это обычное явление. Но чтобы оно возникло без постороннего воздействия — с таким учёные ещё не встречались.

Полярное сияние над коричневым карликом в представлении художника. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

Об открытии сообщила команда учёных во главе с астрономом Американского музея естественной истории Джеки Фарти (Jackie Faherty). С помощью космической обсерватории «Джеймс Уэбб» учёные исследовали 12 коричневых карликов. Среди них были объекты W1935 и W2220 — это два очень похожих коричневых карлика, которые оказались близкими клонами друг друга. Они были идентичны по температуре и яркости, а также по химическому составу, включая содержание воды, аммиака, монооксида углерода (угарный газ) и двуокиси углерода (углекислый газ). Но было и отличие: в инфракрасном диапазоне метан в составе W1935 излучал свет, а W2220 — поглощал.

Изучение газовых гигантов в нашей Солнечной системе показало, что свечение метана в полярных областях сопровождается полярными сияниями. Но на планеты внутри системы воздействует излучение центральной звезды. Энергичные частицы покидают звезду и попадают в магнитные поля планет, а те отводят их в полярные области, где происходит взаимодействие с атомами ионосферы, которое сопровождается разогревом верхних слоёв и, как проявление всего этого, полярными сияниями.

«Уэбб» засёк эмиссию метана в атмосфере коричневого карлика, что указывает на возможное полярное сияние

Однако коричневый карлик — это звезда, которой не хватило массы для запуска термоядерной реакции. Он сам по себе в системе и ничто не должно влиять на его атмосферу и ионосферу. Там не должно быть признаков полярных сияний, что подтверждает наблюдение объекта W2220. Напротив, ионосфера W1935 оказалась разогретой без видимой причины, что заставило заподозрить на нём полярные сияния.

Какие процессы заставили метан нагреться в верхних слоях коричневого карлика W1935, учёные не знают, но намерены выяснить это в будущих наблюдениях за такими объектами. Возможно феномен полярных сияний имеет также иную природу, чем ту, которую мы наблюдаем в нашей системе. Обсерватория «Джеймс Уэбб» предоставляет возможность таких наблюдений, каждый раз доказывая, что из затраченных на её запуск $10 млрд каждый цент окупится сторицей.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» был запущен на Рождество 2021 года, после чего обсерватория стоимостью $10 млрд за 30 дней достигла пункта назначения в точке Лагранжа L2 на расстоянии 1,6 млн км от Земли. Телескоп потратил несколько месяцев на запуск оборудования и установку экрана, который защищает его от солнечной радиации. 2023-й стал первым полным годом работы космического телескопа и принёс большие плоды: были получены тысячи изображений, которые не просто радуют глаз.

Источник изображений: NASA

Полученные снимки и данные наглядно показывают учёным, как рождаются и умирают звёзды, как сталкиваются и сливаются галактики, как создаются массивные скопления галактик и почему некоторые звёзды умирают всего через несколько тысяч лет вместо положенных 10 миллиардов.

«Джеймс Уэбб» был спроектирован, построен и запущен для открытия неизведанного. Его рождественский подарок миру можно увидеть на фотографиях ниже. По расчётам создателей, телескоп должен проработать около 20 лет, а значит в будущем человечество получит ещё десятки тысяч невероятных изображений космоса, имеющих как научную, так и эстетическую ценность.

На расстоянии около 1500 световых лет от Земли находится показанная на фото ниже пара звёздных близнецов Хербиг-Аро 46/47, которым едва исполнилось несколько тысяч лет. Это младенчество по космическим меркам, так как звезде размером с Солнце требуется в среднем 50 миллионов лет, чтобы достичь «совершеннолетия». Молодые звезды используют окружающие их облака звёздной пыли и газа для своего роста. Когда поглощение идёт слишком быстро, пыль и газ вырываются с обеих сторон формации, придавая молодой звёздной паре деформированный вид.

Пара ярких звёздных образований, расположенных на расстоянии 1600 световых лет от Земли — туманность Ориона и скопление Трапеции — являются домом для 700 молодых звёзд на разных стадиях развития. Четыре из них легко увидеть в простой любительский четырёхдюймовый телескоп. Самая заметная из них в 20 000 раз ярче Солнца.

Звезда Вольфа-Райе находится на расстоянии 15 000 световых лет от Солнечной системы и представляет собой очень редкий вид — в галактике Млечный Путь, насчитывающей не менее 100 миллиардов звёзд, таких всего 220. Вольф-Райе горит горячо и быстро, её температура в 20–40 раз выше нашего Солнца. Поэтому она быстро теряет водородную оболочку и обнажает гелиевое ядро, и всего через несколько сотен тысяч лет растворится в космической пыли. Для сравнения — продолжительность «жизни» Солнца около 10 миллиардов лет.

В отличие от звезды Вольфа-Райе, знаменитая туманность Кольцо, сфотографированная «Джеймсом Уэббом» на расстоянии 2000 световых лет от Земли, угасает неторопливо и с достоинством. Туманность была открыта в 1779 году французским астрономом Антуаном Даркье де Пеллепуа (Antoine Darquier de Pellepoix). Под внешними слоями ионизированного газа, скрывается характерная голубая внутренняя часть, состоящая из водорода и кислорода, которые ещё не унесены звёздным ветром.

Карликовая галактика NGC 6822 оправдывает своё название: она насчитывает всего 10 миллионов звёзд по сравнению со 100 миллиардами в Млечном Пути. Но малое количество звёзд NGC 6822 компенсирует зрелищностью, которую демонстрирует нам космический телескоп. Обнаруженная в 1884 году американским астрономом Э. Э. Барнардом (E.E Barnard), NGC 6822 имеет огромный пылевой хвост размером 200 световых лет в поперечнике. Плотное скопление звёзд в её составе светится в 100 000 раз ярче Солнца.

Спиральная галактика М51, которая находится на расстоянии 27 миллионов световых лет от Земли и изяществом рукавов и компактностью структуры. У M51 имеется галактика-компаньон NGC 5195. Обе галактики вовлечены в нечто вроде гравитационного перетягивания каната, в котором NGC 5195 побеждает. Постоянное гравитационное воздействие NGC 5195 объясняет плотно переплетённую структуру рукавов M51 и приливные силы, приводящие к созданию новых звёзд в рукавах.

В нижнем левом квадранте туманности Ориона «Джеймс Уэбб» сфокусировался на структуре, известной как Бар Ориона, названной так из-за своей диагональной формы, напоминающей гребень. Этот гребень сформирован мощным излучением окружающих его горячих молодых звёзд.

Звёздное скопление IC 348 — ребёнок по меркам космоса, ему всего пять миллионов лет, а расположено оно примерно в 1000 световых годах от Земли. Состоящая примерно из 700 звёзд, IC 348 имеет структуру, похожую на тонкие завесы, созданные космической пылью, отражающей звёздный свет. Заметная петля в правой части изображения, вероятно, создана порывами солнечного ветра.

Гигантская галактика Скопление Пандоры, формально известная как Abell 2744, представляет собой объединение четырёх звёздных скоплений. Галактика Скопление Пандоры удалена от Земли на расстояние 3,5 миллиарда световых лет и имеет ошеломляющий диаметр в 350 миллионов световых лет. Массивная совокупная гравитация скопления изгибает и увеличивает свет объектов на переднем плане, что позволяет астрономам использовать его в качестве гравитационной линзы.

«Джеймс Уэбб» был построен главным образом для наблюдения за самыми старыми и удалёнными объектами во Вселенной, находящимися на расстоянии до 13,4 миллиардов световых лет от Солнечной системы. Но это не мешает телескопу иногда заглядывать на собственный «задний двор», что демонстрирует это потрясающее изображение Сатурна и некоторых из его 146 спутников.

Ро Змееносца — это облачный комплекс молодых и горячих звёзд, расположенный всего в 460 световых годах от Земли. Неспокойный характер Ро Змееносца характеризуется струями газа, вырывающимися из молодых звезд. Большинство звёзд в этом скоплении по размеру сопоставимы с Солнцем, кроме значительно более крупной звезды S1. Она горит настолько ярко, что вырезает вокруг себя огромную полость образующимся вокруг неё звёздным ветром.

Команда астрономов во главе со специалистом из Университета Мичигана изучила 42 старых звезды в Млечном Пути и пришла к удивительному выводу. На самой заре времён звёзды могли создавать элементы, намного более тяжёлые, чем всё то, что когда-либо встречалось в природе на Земле или вообще во Вселенной. Это заставит по-новому взглянуть на эволюцию звёзд и Вселенной.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Сегодня трансурановые элементы или элементы с атомной массой свыше 260 создаются только в лабораториях. Но даже синтезированные они очень быстро разрушаются. В процессе распада возникает целый спектр обычных тяжёлых и широко распространённых элементов. В изученных астрономами старых звёздах нашей галактики, химические составы которых изучены от и до, было обнаружено изобилие таких элементов — «осколков» распада несуществующих сегодня в свободном виде трансурановых элементов.

Важно отметить, что обнаруженные в старых звёздах тяжёлые элементы не могли появиться там в результате ядерного синтеза в ядрах звёзд (тяжелее железа там ничего не синтезируется в принципе). Более тяжёлые элементы синтезируются при больших энергиях, выбросы которых происходят в результате взрывов сверхновых и килоновых. Это настолько быстрые процессы, что они получили название r-процессов (rapid). В особенно экстремальных случаях, очевидно, синтезируются химические элементы с атомной массой свыше 260. Затем происходит быстрый распад таких элементов с образованием менее тяжёлых атомов, например, рутения, родия, палладия и серебра.

Учёные доказали, что в наблюдаемых звёздах искомые химические элементы образовались в процессе деления ядер, а не непосредственно в r-процессе (синтезе). Об этом говорит комплексный химический состав звёзд и групповой анализ. Тем самым, похоже, на заре Вселенной древние звёзды могли порождать элементы с атомной массой свыше 260, чего сегодня нигде не наблюдается.

«Это интересно, потому что ранее мы не обнаруживали ничего настолько тяжёлого в космосе или естественным образом на Земле даже при испытаниях ядерного оружия, — говорят авторы работы, опубликованной в журнале Science. — Но наблюдение за ними в космосе даёт нам представление о том, как осмысливать модели и деление, и может дать нам представление о том, как появилось такое богатое разнообразие элементов».

С начала 2000-х годов начались обширные астрометрические наблюдения неба, которые давали точное представление о скорости и направлении движения звёзд. Мы стали видеть окружающую нас Вселенную в динамике. Около 20 лет назад была обнаружена первая покидающая нашу галактику звезда. Оказалось, что звёзд-беглецов достаточно много и большинство из них тяжёлые, показало исследование.

Пример звезды-изгоя, создающей ударную волну при движении через межзвёздный газ. Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Существует две основные гипотезы о том, как появляются звёзды-беглецы, скорости и направления движения которых не совпадают с карусельным кружением всего остального вещества в галактике. Одна теория предполагает придание звезде импульса в результате взрыва сверхновой в двойной системе, после чего освобождённая от оков гравитации партнёра звезда улетает вдаль. Вторая теория говорит о динамическом выбросе, когда пара звёзд в тесной двойной системе пролетает мимо третьего массивного объекта, например, мимо чёрной дыры. Дыра отрывает одну из звёзд, что придаёт второй импульс движения.

Какой из сценариев доминирует, учёным остаётся только спорить. Однако группа астрономов решила выяснить наиболее вероятный из них, благо тот же астрометрический европейский телескоп «Гайя» собрал данные по миллионам звёзд в нашей галактике.

Исследователи воспользовались двумя каталогами звёзд O- и B-типа и данными «Гайи». Звёзды этих типов, включая подвид Be, массивные, молодые и горячие, отчего встречаются часто, группами и обычно в виде двойных систем. Наконец, среди обнаруженных звёзд-беглецов массивные звёзды встречаются чаще всего.

Сравнение данных «Гайи» и каталогов GOSC и BeSS позволило выявить 417 звёзд O-типа и 1335 звёзд типа Be, которые присутствовали во всех источниках. Это позволило вычислить 106 звёзд-беглецов O-типа и 69 таких же звёзд Be-типа. Процент убегающих звёзд O-типа оказался намного выше (25,4 %) чем звёзд типа B и Be (5,2 %). Иначе говоря, более массивные звёзды типа O убегают чаще и в целом движутся быстрее звёзд типа B. Благодаря данным «Гайя», к слову, в процессе исследования были обнаружены ранее неизвестные звёзды-беглецы: 42 среди звёзд O и 47 среди звёзд B и Be. Большинство из них останутся в нашей галактике, но около дюжины разогнались настолько, что со временем покинут её.

На основании полученных данных учёные сделали вывод, что сценарий динамического выброса проявляется намного чаще и более распространён во Вселенной, чем появление звёзд-беглецов в двойной системе с образованием сверхновой. Чтобы самые массивные звёзды начали лететь в произвольном направлении со сверхгалактическими скоростями, а не двигаться в кружении по диску галактики, требуется придать им столько энергии, сколько нельзя получить при разрушении двойной системы взрывом сверхновой. И это происходит намного чаще, чем считалось ранее. По самым скромным оценкам только по нашей галактике бродят порядка 10 млн звёзд-изгоев.

Одним из первых объектов для наблюдений космической обсерватории «Джеймс Уэбб» стала звезда Earendel («Эарендиль»). В марте 2022 года она была открыта телескопом «Хаббл» и представлена как кандидат в самые далёкие звезды во Вселенной. «Уэбб» должен был подтвердить это звание и дать звезде развёрнутую характеристику. И он это сделал!

Нажмите для увеличения. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, D. Coe

Учёным сильно повезло, что на пути света звезды «Эарендиль» к Земле оказалась гигантская складка пространства-времени — гравитационного возмущения, вызванного галактическим скоплением WHL0137-08. «Эарендиль» настолько идеально вписалась в эту складку, что свет от неё усилился на порядки — более чем в 4000 раз. Когда к этой природной линзе добавились возможности «Уэбба» в виде инфракрасной чувствительности и спектральных анализаторов, получилось определить тип звезды и подтвердить её удалённость от нас.

Точное расстояние до «Утренней звезды» пока анализируется, как и удалённость и состав галактики Sunrise Arc («Рассветная арка»), в которой она расположена. Но определённо можно сказать, что это первая звезда, обнаруженная в пределах одного миллиарда лет после Большого взрыва. Это открытие даёт надежду таким же образом обнаружить первые звёзды во Вселенной, состоящие исключительно из водорода и гелия. Пока их поиск не увенчался успехом.

Спектральный анализ света от «Эарендили» показал, что это звезда B-типа. Она тяготеет к синему свечению и в два раза горячее Солнца, а также в миллион раз ярче его. Масса звезды в десятки раз превышает массу Солнца, и такие звёзды обычно имеют компаньонов. В свете «Эарендили» обнаружены признаки более холодной и красной звезды, что намекает на то, что у неё действительно есть компаньон.

Образованная скоплением WHL0137-08 гравитационная линза не исчерпывает свои возможности наблюдением далёкой звезды. В область увеличения попали также ранние шаровые скопления и области звездообразования — как молодые, так и более старые. Эти данные помогут нам разобраться, как выглядели шаровые скопления в нашей галактике, когда они образовались миллиарды лет назад.

До обнаружения «Эарендили» самой древней обнаруженной звездой во Вселенной считалась звезда LS1 или «Икар», существование которой подтверждено для Вселенной в возрасте 4,4 млрд лет. Недавно астрономы с помощью «Уэбба» обнаружили ещё одну древнюю звезду — Quyllur («Квиллур»), — красного гиганта, наблюдающегося через 3 млрд лет после Большого взрыва. Но это не отняло пальму первенства у «Эарендили». Она пока самая древняя или самая юная из обнаруженных, если считать от момента Большого взрыва.

Около 30 лет назад была обнаружена звёздная система MACHO 80.7443.1718, которой суждено стать родоначальником нового типа двойных звёздных систем. Её необычное поведение — сверхсильные пульсации яркости — недавно получили исчерпывающие объяснения. Моделирование показало, что на главной звезде из этой пары регулярно возникают приливные волны высотой свыше 4 млн км и долго прокатываются по её поверхности, создавая рябь циклопических масштабов.

Малая звезда в паре вызывает гигантскую волну на поверхности большой (рисунок художника). Источник изображения: Melissa Weiss, CfA

Систему MACHO 80.7443.1718 учёные прозвали heartbreak или «волнующейся» в данном контексте за её экстремально пульсирующий характер свечения. Обычно изменение яркости светил в двойных системах не превышает 0,1 %. Пульсации возникают при гравитационном взаимодействии пары звёзд, когда они проходят рядом на расстояниях, достаточных для обмена веществом (плазмой). Однако в случае с системой MACHO 80.7443.1718, где одна звезда в 35 раз массивнее Солнца, а вторая намного меньше её, изменение в яркости достигает 20 %, что не помещается ни в какие известные теории.

Долгие годы учёные строили модели системы MACHO, пока, наконец, новое моделирование не дало результат, совпадающий с наблюдениями. Оказалось, что приближение малой звезды к большой вызывает на крупном партнёре настолько гигантские приливные волны, что они продолжают ходить по поверхности даже после удаления малого партнёра на большое расстояние. Высота цунами из плазмы и звёздного вещества может превышать 4,3 млн км, что в три раза выше диаметра Солнца. Подобной «волнующейся» звезды астрономы ещё не наблюдали в двойных звёздных системах, но жаждут найти их больше, а MACHO 80.7443.1718 стала первой в их списке.

Группа астрофизиков под руководством специалиста из Австралии обнаружила в нашей галактике источник повторяющихся радиосигналов, которому пока нет уверенного научного объяснения. Этот сигнал длительностью около 5 минут приходит к нам с расстояния 15 тыс. световых лет каждые 22 минуты в течение как минимум 33 лет. Это очень и очень медленный сигнал, что выводит открытие за рамки известной нам физики.

Магнетар в представлении художника. Источник изображения: ICRAR

«Этот замечательный объект бросает вызов нашему пониманию нейтронных звезд и магнетаров, которые являются одними из самых экзотических и экстремальных объектов во Вселенной», — сказала руководитель группы, астрофизик Наташа Харли-Уокер (Natasha Hurley-Walker) из Университета Кертина Международного центра радиоастрономических исследований (ICRAR) в Австралии.

В прошлом году астрономы нашли в архивах наблюдений подобный долгопериодический радиобъект, который получил обозначение GLEAM-X J162759.5-523504.3. Он излучал радиосигнал каждые 18 минут, но с 2018 года пропал из эфира. Группа Харли-Уокер попыталась обнаружить нечто подобное прямыми наблюдениями и нашла искомое — объект GPM J1839-10 с периодом радиосигнала 22 мин. Более того, изучение архивов показало, что источник фиксируется с 1988 года, но никто не обращал на него внимания, считая такое невозможным в принципе.

Дело в том, что подобные долгопериодические излучения лежат ниже так называемой «долины смерти» для магнетаров. Для возникновения мощного радиоизлучения напряженность магнитного поля должна быть выше определенного порога, который зависит от скорости вращения магнетара. Чем медленнее вращается магнетар — одна из разновидностей нейтронных звёзд, тем реже возникает радиосигнал. Но слишком медленное вращение магнетара просто неспособно создать напряжённость магнитного поля, достаточную для появления радиовсплеска.

Серым представлена «долина смерти», где обитают типичные магнетары. Источник изображения: N. Hurley-Walker et al. / Nature, 2023

«Обнаруженный нами объект вращается слишком медленно, чтобы генерировать радиоволны — он находится ниже линии смерти», — пояснила Херли-Уокер.

Тем самым перед учёными вырисовываются две перспективы — либо менять физику возникновения радиовсплесков магнетаров, либо считать, что это сигналит звезда какого-то иного неустановленного типа. Например, это могут быть звёзды типа белых карликов в намагниченном и изолированном состоянии. В любом случае, открытие новых долгопериодических источников радиосигналов намекает на то, что подобное происходит во Вселенной чаще и гуще, чем мы себе представляли.

Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» продолжает срывать покровы и расширять границы знаний. Новое наблюдение показало, что на заре Вселенной было необъяснимо много углерода, который, согласно нашим гипотезам, не мог там появиться в фиксируемых объёмах. Благодаря новым открытиям учёные получают новые данные для уточнения теорий эволюции звёзд, галактик и Вселенной.

Редкая звезда типа Вольфа — Райе, которая «пылит» не хуже сверхновых. Источник изображения: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO

Как сообщили учёные Кембриджского университета (Великобритания) в своей статье в журнале Nature, углеродная пыль в больших объёмах обнаружена в галактиках на рубеже 800 млн лет после Большого взрыва. Углерод и другие тяжёлые атомы (по представлению астрофизиков, кроме водорода и гелия тяжёлые все элементы) рождаются только в горниле звёзд и в виде пыли могут быть представлены преимущественно в одном случае — когда звезда превратится в сверхновую и развеет свою оболочку по окружающей Вселенной. Исходя из этого, на отметке 800 млн лет не должно было быть углерода и всего остального в заметных объёмах, поскольку звёзды просто не успели бы проэволюционировать до нужных кондиций и процессов.

Наблюдения «Уэбба» опровергли устоявшееся в научной среде мнение. Спектральные линии углерода абсолютно чётко прослеживаются во многих галактиках вблизи временной границы на уровне одного миллиарда лет после Большого взрыва. Это означает, что похожие химические процессы шли повсеместно и с одинаковой скоростью, и явно не так, как мы предполагали. Эти данные внесут значительные коррективы в модели эволюции звёзд и в наше понимание этих процессов.

«Наше обнаружение углеродистой пыли на красных смещениях 4–7 позволяет существенно ограничить модели и сценарии производства пыли в ранней Вселенной», — пишет группа специалистов под руководством космолога Йориса Витстока (Joris Witstok) из Кембриджского университета (Великобритания).

Впрочем, для обнаруженной странности с углеродом есть объяснение. Согласно одной из гипотез, первые звёзды во Вселенной были сверхмассивными. Такие звёзды эволюционируют намного быстрее, чем звёзды меньшей массы. Это также объясняет, почему мы до сих пор не видели ни одной из первых звёзд (они относятся к так называемому III населению). Все они превратились в сверхновые очень и очень рано и, следовательно, могли создать углерод и другие металлы в то время, куда наши инструменты ещё не могут заглянуть.

Учёные из Австралии обнаружили редкого ультрахолодного коричневого карлика, излучающего радиоволны. Во Вселенной таких меньше десятка на сотню. И он оказался самым холодным за всю историю наблюдения за подобными карликовыми звёздами. На его поверхности холоднее, чем в огне обычного костра на Земле.

Солнце, маленькая обычная звезда, коричневый карлик, Юпитер, Земля. Источник изображения: University of Sydney

Звезда с каталожным номером T8 Dwarf WISE J062309.94-045624.6 находится на расстоянии около 37 световых лет от Земли. Она была открыта в 2011 году астрономами из Калифорнийского технологического института (США). Температура на её поверхности всего 425 °C, что даже ниже, чем на поверхности Венеры, и более чем в 10 раз меньше, чем на поверхности Солнца.

Коричневые карлики являются промежуточным звеном между самыми маленькими звёздами с термоядерными реакциями и газовыми планетами-гигантами, такими как Юпитер. У коричневых карликов термоядерные реакции не идут, поэтому они тусклые в видимом диапазоне и в целом излучают мало энергии. Радиус данной звезды составляет от 0,65 до 0,95 радиуса Юпитера. Её масса изучена недостаточно хорошо, но звезда массивнее Юпитера как минимум в четыре раза, но не более чем в 44 раза. Солнце, например, в 1000 раз массивнее Юпитера.

«Очень редко можно встретить ультрахолодные звёзды типа коричневого карлика, дающие радиоизлучение. Это связано с тем, что их динамика обычно не создаёт магнитных полей, генерирующих радиоизлучение, которое можно обнаружить с Земли, — сказал ведущий автор исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal Letters. — Обнаружение этого коричневого карлика, излучающего радиоволны при столь низкой температуре, является интересным открытием».

Наши знания об эволюции звёзд очевидно не полные. Уточнять их могут только открытия, которые выходят за рамки известных явлений. Открытие активного в радиодиапазоне коричневого карлика с самой низкой в истории наблюдений температурой поверхности как раз относится к таким явлениям. И оно гарантированно обогатит земную науку новыми данными, которые сделают Вселенную немного понятнее для нас.

Первый год наблюдений космической обсерватории «Джеймс Уэбб» принёс множество открытий, включая обнаружение самых древних галактик, появившихся на самой заре нашей Вселенной, когда ей было всего 300 млн лет. Группа учёных поставила под сомнение это открытие, заявив, что эти объекты могут быть звёздами из тёмной материи — первыми, которые человечество увидело в свои инструменты.

Источник изображения: Pixabay

Наши знания о Вселенной очень и очень неполны. Значительную часть из них представляют теоретические модели. Наблюдения, особенно с помощью самого современного оборудования, позволяют подтвердить или опровергнуть ту или иную теорию. Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба стала таким инструментом, который позволил заглянуть в эпоху детства и юности Вселенной. Инфракрасные датчики «Уэбба» способны уловить свет, который летел к нам свыше 13 млрд лет, и поэтому ушёл в инфракрасный диапазон — длина волны банально растянулась во время этого эпического полёта и стала невидима в оптическом диапазоне.

Инструменты «Уэбба» обнаружили три объекта возрастом от 300 до 400 млн лет после Большого взрыва — это JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0. Спектральный анализ излучения этих объектов показал, что им действительно столько лет, как на это указывает величина их красного смещения. Фактически, это одни из самых молодых галактик во Вселенной, масса которых находится в районе 100 млн солнечных масс. Однако учёные Космин Илие (Cosmin Ilie) и Джиллиан Паулин (Jillian Paulin) из Колгейтского университета и Кэтрин Фриз (Katherine Freese) из Техасского университета в Остине поставили под сомнение это открытие и опубликовали научную работу, в которой обосновали альтернативную версию идентификации этих объектов.

Согласно математическому моделированию учёных, все три открытых объекта — это звёзды из тёмной материи. Для гипотетических звёзд III-го населения (таковые пока не наблюдались) масса в 100 млн солнечных масс была бы нормой. Наука предполагает, что первые звёзды в нашей Вселенной должны отличаться от наблюдаемых нами звёзд, и в этом свете объекты JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0 вполне могут оказаться звёздами, а не галактиками. Первыми звёздами.

Вещество этих звёзд также может отличаться от вещества в наблюдаемых звёздах. В нашей Вселенной мы видим в звёздах процесс термоядерной реакции, когда водород превращается в гелий. В первых звёздах веществом может быть тёмная материя. Вместо реакции синтеза такие звёзды горят в процессе реакции аннигиляции частиц и античастиц тёмного вещества. Теория это допускает, хотя мы пока не имеем понятия, что такое эта тёмная материя, кроме разве что почти полной уверенности, что это действительно частицы, а не поле, например.

К сожалению, чувствительности «Уэбба» не хватает, чтобы обнаружить линии гелия в столь отдалённых от нас по времени объектах. В таком случае мы могли бы точно узнать, идут ли в них термоядерные реакции или нет, и сказать, «тёмные» звёзды это или обычные молодые галактики. Остаётся надеяться на моделирование, которое, кстати, очень удачно может объяснить и появление сверхмассивных чёрных дыр (звезда в 100 млн масс Солнца может сразу коллапсировать в сверхмассивную чёрную дыру), и наличие неуловимого звёздного населения III, и присутствие тёмной материи и много чего ещё, на что официально признанная астрофизическая теория развития Вселенной пока не может дать убедительного ответа.

Международная группа учёных рассказала об обнаружении нового класса звёзд, представляющих собой недостающее звено в эволюции двойных систем, в конце жизни которых происходит столкновение нейтронных звёзд.

Источник изображений: uni-heidelberg.de

Считается, что при сопровождающем такое столкновение взрыве — килоновой — возникают условия для формирования элементов тяжелее железа: серебра, золота и платины, которые не могут возникать в звёздных ядрах. Поэтому слияния нейтронных звёзд жизненно важны для распространения тяжёлых элементов во Вселенной. Недостающим звеном эволюции килоновых являются входящие в двойные системы звёзды, внешние слои водорода которых поглощаются звездой-компаньоном. «Пострадавшая» при этом процессе звезда остаётся с обнажёнными плотными горячими слоями гелия, образовавшегося в результате синтеза водорода.

Астрономам уже известно о существовании малых и, напротив, массивных обнажённых звёздах (звёздах Вольфа — Райе), но они либо слишком малы, либо слишком велики, чтобы оказаться в системах, производящих килоновые. Ранее не удавалось обнаружить гелиевые звёзды с массой от двух до восьми солнечных. Из-за этого даже выдвигалась гипотеза о «разрыве масс гелиевых звёзд» и возникали вопросы, могут ли модели жизненного цикла массивных звёзд быть ошибочными. Теперь же международной группе учёных под руководством доцента Университета Торонто Марии Друт (Maria Drout) удалось обнаружить 25 возможных примеров объектов, представляющих это недостающее звено эволюции.

Обнажённые гелиевые звезды промежуточной массы начинают жизненный цикл как гиганты с массой от 8 до 25 солнечных. Они находятся в двойных системах с компаньонами, которые постепенно захватывают их внешние слои. Когда у такой звезды заканчивается топливо для ядерного синтеза, она производит взрыв — сверхновую, при котором выбрасывается относительно небольшое количество вещества, но остаётся ядро в виде нейтронной звезды. В этот момент они меняются местами в паре, и уже новая нейтронная звезда начинает поглощать своего компаньона, который тоже в какой-то момент производит сверхновую.

Эволюция двойных систем с обнажёнными звёздами

Образуется двойная система нейтронных звёзд, состоящая из пары тесно связанных «мертвецов», излучающих при вращении вокруг друг друга гравитационные волны. Эти гравитационные волны уносят с собой момент импульса двойной системы, нейтронные звёзды закручиваются по спирали всё быстрее, пока они не столкнутся и не произведут килоновую. Но для обнаруженных учёными объектов этот сценарий располагается ещё в отдалённом будущем.

Астрономы предполагают, что есть причина, по которой обнаружить обнажённые звёзды промежуточной массы так трудно. Свет, излучаемый ими в видимом диапазоне, перебивается светом сжигающих водород компаньонов. Чтобы обойти это ограничение, исследователи начали искать их в ультрафиолетовом диапазоне, и поиски начали с расположенных неподалёку от Млечного Пути карликовых галактик — Большого и Малого Магеллановых Облаков. В результате удалось обнаружить 25 объектов, которые произведут сверхновые и пары нейтронных звёзд с последующим слиянием.

Одна из таких звёзд сильно отличается от того, что ожидали увидеть учёные: она пока ещё не полностью растеряла внешний водородный слой, и если подобный механизм характерен для других объектов промежуточной массы, то они могут казаться намного больше и холоднее, чем есть на самом деле. Это значит, что звёзды нового класса, возможно, всё время прятались у всех на виду.

Три года назад в центре нашей галактики астрономы обнаружили четыре необычных объекта, которые выглядели как гигантские облака газа и пыли, но вели себя как звёзды. Первые два объекта с такими же свойствами были открыты там же около 20 лет назад. Вместе их стали называть «объектами G». Многолетний сбор данных позволил сделать обоснованное предположение о природе загадочных образований.

Объекты G в представлении художника. Источник изображения: Jack Ciurlo/UCLA

В журнале Nature вышла статья, в которой астрономы объяснили вероятную природу объектов G. Первые два из них были открыты в начале нулевых годов и получили названия G1 и G2. Объекты G3, G4, G5 и G6 были обнаружены в 2020 году. Все они «обитают» в центре нашей галактики Млечный Путь и вращаются вокруг сверхмассивной звезды Стрелец А* (Sgr A*). Впрочем, орбиты первых двух объектов сильно отличаются от орбит четырёх других — они ближе к круговым, тогда как остальные объекты движутся по сильно вытянутым орбитам с периодом до 1600 лет, а минимальный орбитальный период объектов G при этом составляет 170 лет.

За первые годы наблюдений сложилось впечатление, что объекты G — это гигантские облака из пыли и газа до 100 а.е. в поперечнике. Однако максимальное сближение объекта G2 с чёрной дырой в 2014 и последующий уход от неё показали, что «облако» повело себя как компактный объект. Если бы это был молекулярный газ (водород), чёрная дыра полностью поглотила бы его с соответствующим выбросом энергии после аккреции. Но этого не произошло. При сближении с чёрной дырой объект стал вытянутой формы, а после удаления вновь приобрёл прежний вид.

По сумме полученных данных астрономы предположили, что объект G2 может быть продуктом слияния двух массивных звёзд в ранее двойной системе. Двойные звёзды могли врезаться друг в друга в процессе эволюции системы, а также под влиянием гравитации сверхмассивной чёрной дыры. Собственно обнаружение шести объектов с похожим поведением в окрестностях Стрельца А* как бы намекает о большой вероятности подобного развитии событий. Столкновение двух массивных звёзд теоретически способно создать одно ядро — звезду — окружённое колоссальным пузырём из газа и пыли.

Орбиты известных объектов G. Источник изображения: Anna Ciurlo/Tuan Do/UCLA Galactic Center Group

В центре галактики обычно массивное звёздное население и двойных звёздных систем там тоже довольно много, чтобы подобные столкновения случались довольно часто и, особенно, в присутствии сверхмассивной чёрной дыры, гравитация которой провоцировала бы такие события. Поэтому неудивительно, что астрономы обнаружили «деревья в лесу при наблюдении за лесом», правда, таких «деревьев» они раньше не видели, а может просто не замечали по незнанию.

Возможно многие из наблюдаемых нами звёзд родились не в процессе обычной эволюции от зародыша протозвезды, а возникли в процессе гибели двойных звёздных систем после слияния звёздных пар. Первые шесть обнаруженных объектов G могут стать толчком к изменениям в теории эволюции звёзд и это важно, поскольку все наши базовые знания о Вселенной строятся на математических моделях и если они в чём-то неверны, то это скажется в области фундаментальной физики и, так или иначе, затронет многие области науки и техники.

На Земле все привыкли к переработке отходов, однако никто не представлял, что такое может происходить в космосе. Международная группа учёных под руководством астрономов Шиву Чжан (Shiwu Zhang) и Чжэн Цай (Zheng Cai) из Университета Цинхуа в Китае нашла доказательства того, что огромная галактика внутри ещё большей туманности под названием MAMMOTH-1 собирает материал из пространства вокруг неё, чтобы породить новые звезды.

Источник изображения: NASA

Материал туманности содержит элементы, образованные вспышками сверхновых звёзд, которые, как считается, произошли внутри галактик. Это означает, что галактика, которую исследовательская группа называет G-2, в настоящее время формирует звезды из материала, который ранее был выброшен в межгалактическое пространство либо самой галактикой, либо другой близлежащей. «Моделирование показало, что рециркуляция газа — повторное образование газа, который ранее был выброшен из галактики — может поддерживать звёздообразование в ранней Вселенной», — говорится в исследовании, опубликованном в прошлом месяце в журнале Science.

В туманности MAMMOTH-1 в изобилии присутствует сырье для звёздообразования, а наблюдения с телескопов «Subaru» и «Keck II» показали, что из туманности в одну из галактик внутри неё проистекают три газообразных потока. MAMMOTH-1 — это особенно огромная туманность, которая оправдывает своё название. Потоки газа из этой туманности простираются на поразительные 100 килопарсек (325 000 световых лет). Эти потоки могут обеспечить любую галактику всем необходимым для рождения нового поколения звёзд.

Исследовательская группа создала кинематические модели галактик и туманности, чтобы увидеть, как именно движутся газообразные потоки. Оказалось, что потоки закручиваются по спирали внутрь галактики, что, по их мнению, является ещё одним доказательством наличия огромного количества материала, который может быть переработан в новые звезды. Наблюдения на телескопах Subaru и Keck II показали, что эти потоки светились эмиссионными линиями, указывающими на присутствие водорода и гелия, чего и следовало ожидать. Но в них также присутствовало значительное количество углерода. Присутствие углерода показывает, что облако содержит более тяжёлые элементы, которые, скорее всего, произошли от давно погибших звёзд.

В ходе наблюдений за MAMMOTH-1 было обнаружено ещё кое-что: два потока газа, направляющиеся к притягивающей их галактике, исходят из одного и того же квазара. Квазары образуются, когда сверхмассивные черные дыры в центре галактик поглощают достаточно материала, чтобы испустить струи вещества и радиоактивное излучение. Эти струи могут выбрасывать материал из галактики целиком.

Исследователи определили, что этот квазар, скорее всего, расположен не в той же галактике, которая притягивает материал. Таким образом, похоже, что это случай, когда одна галактика перерабатывает материал, выброшенный другой.