Когда Вселенная стала прозрачной
Международная команда астрономов, возглавляемая Хакимом Атеком из Федеральной политехнической школы Лозанны (Hakim Atek, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse), обнаружила на снимках орбитальной обсерватории Hubble более 250 крошечных галактик, существовавших в те времена, когда от момента Большого Взрыва прошло всего 600-900 млн лет — этот период эквивалентен диапазону красных смещений z=6-8. Найденные объекты стали одной из крупнейших выборок карликовых галактик, представляющих столь раннюю эпоху. Свет от них шел к нам почти 13 млрд лет.
Галактическое скопление MACS J0416.1-2403 — одно из шести, исследуемых с помощью телескопа Hubble в рамках программы «Пограничных полей» (Hubble Frontier Fields). Благодаря своей огромной массе скопление искривляет путь световых лучей от объектов, лежащих позади него, и оказывается чем-то наподобие исполинской линзы, увеличивая их видимый блеск и размеры (но одновременно искажая их вид — «вытягивая» в отрезки причудливых кривых).
Впечатляет и еще одно замечательное достижение команды ученых: самые слабые галактики, зарегистрированные в ходе исследований, оказались еще более тусклыми, чем в предыдущих наблюдениях телескопа Hubble (кроме сделанных в рамках целевых программ «сверхглубоких» снимков).
Исследовав свойства излучаемого этими галактиками света, астрономы пришли к выводу, что он мог сыграть важную роль в одном из самых загадочных периодов ранней истории Вселенной — в эпоху реионизации, начавшейся тогда, когда густой «туман» газообразного водорода, которым изначально было заполнено пространство, начал «рассеиваться» под влиянием излучения горячих массивных звезд. В результате фотоны ультрафиолетового диапазона получили возможность путешествовать на большие расстояния без поглощения водородными атомами: Вселенная стала прозрачной.
Скопление галактик MACS30717.5+3745. также сфотографированное телескопом Hubble в рамках программы «Пограничных полей» — одно из наиболее массивных подобных скоплений. Гравитационное линзирование, вызываемое суммарной массой его компонентов, охватывает наибольший участок неба (из всех участков, на которых наблюдается этот эффект).
Характеристики ультрафиолетового излучения галактик, найденных в ходе исследования, позволили выяснить, действительно ли некоторые из них участвовали в процессе реионизации. Впервые было четко установлено, что самые маленькие и в то же время наиболее многочисленные из объектов, охваченных исследованиями, являлись главными «действующими лицами» в поддержании прозрачности пространства — по крайней мере, для УФ-диапазона. Теперь ученые могут утверждать, что эпоха реионизации подошла к своему завершению примерно через 700 млн лет после Большого Взрыва (это эквивалентно красному смещению z=7,5). По словам Хакима Атека, если рассматривать влияние только ярких и массивных звездных систем, его оказывается недостаточно для полной «расчистки» Вселенной, поэтому необходимо принять во внимание вклад более многочисленной популяции слабых карликовых галактик.
Abell 2744 — так называемое «Скопление Пандоры» — один из наиболее известных галактических кластеров. Неудивительно, что именно с него начиналась серия наблюдений по программе «Пограничных полей». Согласно последним данным, он является результатом слияния нескольких меньших по размеру скоплений, «следы» которого в виде взаимодействующих галактик заметны на снимках с достаточно высоким разрешением.
В качестве исходных данных для анализа группа астрономов использовала самые «глубокие» на данный момент снимки гравитационно-линзовых систем в трех скоплениях галактик (MACSJ0416.1–2403, MACSJ0717.5+3745 и Abell 2744), которые были получены в рамках трехгодичной программы «Пограничных полей» (Hubble Frontier Fields). Эти скопления создают мощные гравитационные поля, играющие роль «увеличительных стекол» для света от расположенных за ними слабых галактик. Другими словами, они функционируют как гигантские природные телескопы, способные выявлять очень далекие карликовые галактики, которые иначе оставались бы невидимыми для современных инструментов. Описанный наблюдательный эффект делает возможным поиск и изучение самых первых объектов Вселенной.
Астрономы уверены, что на этом открытия «ранних галактик» не закончатся, так как в ближайшем будущем планируется наблюдение с помощью орбитального телескопа еще трех далеких галактических скоплений, а в 2021 г. в космос отправится еще более мощная обсерватория James Webb Space Telescope, которая также будет заниматься подобными исследованиями.
Источник
Вселенная однажды могла быть прозрачной
Когда 14,5 миллиардов лет назад буквально из ничего возникла наша Вселенная, в бесконечной тьме вдруг стали зажигаться первые горячие звезды, которые могли пропускать яркий свет межгалактического пространства. Делали они это так, что новорожденное мироздание на какой-то момент стало прозрачным, хотя это и сложно вообразить привыкшему к современной реальности мозгу. Согласно данным, полученным на обсерватории MIT Haystack, как только наша Вселенная смогла достаточно остыть, все имеющиеся в ней протоны и электроны объединились, сформировав так называемый нейтральный водород, сделавший мироздание ненаблюдаемым в электромагнитном спектре. Что же, кажется, специалисты не зря назвали столь странный период “темными веками”.
Несмотря на то, что современную Вселенную мы можем увидеть собственными глазами, так было далеко не всегда
Что такое темные века Вселенной?
Как известно, когда Вселенная была еще совсем юной, она состояла из горячих, но быстро остывающих частиц. Остывшие протоны и электроны смогли в какой-то момент объединиться, превратившись в нейтральный водород, который спрятал наше мироздание от наблюдений в электромагнитном спектре. Когда спустя примерно миллиард лет наступила эпоха “реионизации”, повлекшая за собой возникновение плазмы, в истории Вселенной произошел весьма интересный период, главными героями которого стали молодые и очень горячие звезды, испускавшие огромное количество ультрафиолетового излучения.
Как сообщает портал livescience.com, для того, чтобы лучше понять процессы, происходившие в “темные века” Вселенной, исследователи обратились к одной из самых древних известных на сегодняшний день галактик, расположенной на расстоянии 11 миллиардов световых лет от Земли под названием Sunburst Ark.
Галактика Sunburst Ark
Находясь в процессе изучения световых сигналов, поступающих от древней галактики, исследователи предположили, что первоначальный ионизированный свет выходил из молодых галактик через несколько узких каналов, которые выходили из непрозрачной оболочки Sunburst Ark.
Подобные “галактические дыры” впервые смог обнаружить телескоп “Hubble”, который пронаблюдал древнюю галактику с помощью метода гравитационного линзирования. Некоторые из изображений телескопа были сделаны в неионизированном спектре света, показывающем наличие отверстий в покрытой газом галактике.
Если вам нравится данная статья, приглашаю вас обсудить ее с единомышленниками в нашем официальном чате в Telegram или на канале в Яндекс.Дзен, где вас ждет еще больше полезной информации из мира астрономии и астрофизики.
Таким образом, источники, которые смогли породить первые ионизирующие фотоны Вселенной наконец-то получили научное объяснение, что дало человечеству возможность пересмотреть наше понимание процессов, происходивших в самые темные века Вселенной.
Источник
Чем объясняются аномалии у трети из объектов звездного неба
Насколько прозрачна Вселенная? На этот вопрос нет однозначного ответа. Мощные оптические телескопы сегодня могут увидеть объекты, расположенные на краю видимой части Вселенной, но ситуация меняется, когда речь заходит об излучениях высоких энергий.
Космические частицы несутся почти со скоростью света через галактики и их скопления, но на своем пути они встречают препятствия — вещество, излучение, магнитные поля. Гамма-излучение высоких энергий поглощается при распространении во Вселенной из-за взаимодействия с излучением низких энергий — например, светом звезд и галактик, а также реликтовым излучением. Поэтому изучать далекие космические объекты — например, так называемые блазары, сверхмассивные ядра активных галактик, выстреливающие в нашу сторону потоки вещества с околосветовыми скоростями,— астрономам приходится с поправкой на эту «непрозрачность».
Само по себе гамма-излучение высоких энергий — это обычный свет, только с энергией фотонов в сто миллиардов раз выше, чем у видимых глазом. До поверхности Земли такое жесткое излучение, к счастью, не доходит — поглощается атмосферой. Его регистрируют с помощью специальных черенковских телескопов, стоящих на Земле. Они реагируют на каскадные реакции в атмосфере — ливни заряженных элементарных частиц, вызванные первичными гамма-фотонами.
Уже давно ученые заметили, что некоторые космические объекты почему-то «игнорируют» непрозрачность Вселенной, и изучению именно таких аномальных источников посвящена статья главного научного сотрудника Института ядерных исследований РАН, члена-корреспондента РАН Сергея Троицкого, вышедшая в авторитетном Европейском физическом журнале. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда 18–12–00258.
Для некоторых очень далеких блазаров наблюдается «аномальная прозрачность Вселенной» — до нас долетают от них фотоны таких энергий, которые, согласно всем расчетам, должны были бы поглощаться по пути через Вселенную, взаимодействуя со светом звезд и галактик. Примерно треть изученных источников видны с аномальной прозрачностью и две трети — с обычной. Аномальными оказались в том числе некоторые яркие и хорошо изученные источники. В данной работе Сергей Троицкий изучил, как распределены такие «аномальные» источники по небу. Если нанести их на карту неба, сразу видно, что распределены они неравномерно. Один из «самых аномальных» источников — очень известный квазар 3C279, один из самых ярких гамма-источников на небе и один из первых открытых в 1960-х годах квазаров, расположен в созвездии Девы. Галактика, в которой мы живем, находится в перемычке, соединяющей скопления галактик в созвездиях Девы и Печи. Эту перемычку астрономы называют «местным филаментом». Она только называется нитью, а на самом деле это довольно толстый «шнур» шириной несколько мегапарсек, то есть миллионы световых лет.
Так вот, квазар 3C279 гораздо дальше, чем скопление в созвездии Девы, поэтому он виден сквозь скопление. Эта зацепка позволила понять систему: оказалось, что и другие аномальные источники видны сквозь разные элементы нашего сверхскопления галактик — близкие скопления и «местный филамент». Выглядит парадоксально: если смотреть в тех направлениях, где находятся эти структуры из галактик, Вселенная оказывается более прозрачной, чем если смотреть мимо них, через пустое место. Внутри структур расположены галактики с большим количеством звезд, так что в них больше того, на что может «наткнуться» излучение, проходя сквозь Вселенную, и потому больше шансов для поглощения фотонов. А мы в этих направлениях видим, наоборот, аномальную прозрачность. Как же это объяснить? У ученых закрадывалась даже мысль, что у одного из черенковских телескопов сбилась калибровка и он неправильно определяет яркость объектов. Но это оказалось не так — аномальные объекты видели все телескопы.
Одно из возможных объяснений столь необычного явления — аномальная прозрачность возникает благодаря новому явлению в физике частиц, превращению фотонов в аксионы и обратно. Аксионы — это удивительные, еще не открытые экспериментально частицы, которые практически не взаимодействуют с веществом и излучением, даже слабее, чем хорошо известные нейтрино, свободно пролетающие через Солнце, Землю, людей… Поэтому для аксионов Вселенная прозрачна. Но во внешнем магнитном поле аксионы могут интенсивно превращаться в фотоны, и обратно — фотоны в аксионы. Как раз такое магнитное поле, вероятно, существует в скоплениях галактик и филаментах. Блазары тоже находятся в филаментах (своих, далеких), вот и получается, что фотоны сначала излучаются блазарами, пролетают несколько миллионов световых лет и затем превращаются в гипотетические аксионо-подобные частицы. Они же, в свою очередь, летят уже миллиарды световых лет через межгалактическое пространство, а потом, попав в магнитное поле нашего «местного филамента», превращаются обратно в фотоны, которые и достигают Земли.
Именно такая картина аксион-фотонного смешивания в филаментах была предложена в статье 2010 года для решения другой загадки астрофизики частиц — наблюдения нейтральных частиц ультравысоких энергий от лацертид. Лацертиды — это подкласс тех же блазаров, далекие мощные источники излучения. В 2004 году в данных эксперимента HiRes, регистрировавшего космические лучи ультравысоких энергий, сотрудниками ИЯИ РАН была обнаружена загадочная корреляция направлений прихода частиц с энергиями выше 10 в 19-й степени электронвольт (то есть еще в сто миллионов раз выше!) с положениями лацертид на небе. Корреляция была подтверждена в работе коллаборации HiRes в 2005 году, однако другие эксперименты пока не могли ее проверить из-за худшей, чем у HiRes, точности определения направления. Направления совпадали с точностью до разрешения установки, что означало, что прилетающие частицы не имеют, в отличие от основной массы космических частиц, электрического заряда (заряженные частицы отклонялись бы в космических магнитных полях). В рамках стандартной астрофизики нейтральные частицы столь высоких энергий не могут долетать с таких расстояний, и аксионное объяснение было одним из немногих работающих.
Поэтому в сегодняшней работе наряду с положениями аномальных гамма-блазаров были тем же способом проанализированы направления прихода аномальных космических частиц, зарегистрированных HiRes, на небесной сфере. Оказалось, что лацертиды, от которых они приходили, также расположены за структурами «местного филамента». Суммарная статистическая значимость двух независимых наблюдений — 4 сигма, то есть вероятность, что этот эффект получился случайно, составляет всего лишь примерно 1 случай на 16000. Пока никаких других работающих объяснений обнаруженного эффекта, кроме аксионного, не предложено, но это не значит, что их нет. Говорить об открытии новой элементарной частицы, аксиона, таким косвенным методом пока рано.
Теперь предстоит большая работа по изучению обнаруженного эффекта. В частности, с использованием данных крупного международного эксперимента Telescope Array, изучающего космические лучи сверхвысоких энергий (участвует группа Института ядерных исследований РАН). Ученые будут пытаться независимо проверить обнаруженный в данных HiRes эффект и исследовать его, а также предложенное в данной статье «аксионное» объяснение аномальной прозрачности Вселенной для гамма-излучения очень высоких энергий.
Источник