Призраки во Вселенной. Как изучают объекты самого дальнего космоса

МОСКВА, 8 мая — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ученые открыли самый далекий квазар — J0313-1806, свет от которого летел к нам 13 миллиардов лет, из эпохи совсем ранней Вселенной. Квазары — это очень массивные черные дыры; как они образовались вскоре после Большого взрыва, пока загадка. О космических объектах, скрывающихся в складках пространства-времени и том, как их изучают, — в материале РИА Новости.

Квазары — яркие поглотители галактик

В июле 2019-го на орбиту вывели обсерваторию "Спектр-Рентген-Гамма (СРГ)", созданную в ИКИ РАН и НПО имени Лавочкина совместно с немецким космическим агентством DLR. На борту — рентгеновские телескопы ART-XC имени М. Н. Павлинского и германский eROSITA.

Обсерватория формирует полную карту Вселенной в рентгеновском диапазоне, ведет поиск крупных скоплений галактик, далеких квазаров, тесных двойных звездных систем с компактными источниками — нейтронными звездами, черными дырами, белыми карликами, звездами с хромосферной активностью.

"СРГ работает в режиме сканирования, делая шесть оборотов в сутки. За это время обсерватория смещается в пространстве на один градус и получает сканы в виде колец размером в один градус, длиной 360 градусов. За полгода телескопы отсматривают все небо. В 2020-м российские ученые из московского Института космических исследований РАН с немецкими партнерами построили рентгеновские карты неба на основе двух шестимесячных обзоров", — рассказывает астроном Ильфан Бикмаев, профессор Казанского федерального университета (участника проекта 5-100).

На сканах уже обнаружили около миллиона рентгеновских источников. Программа-робот SRGz сопоставляет их с известными объектами в архивах других телескопов. Около 250 тысяч источников — звезды Млечного Пути, похожие на Солнце, но с очень сильными магнитными пятнами. При вспышках на поверхности температура плазмы — миллионы градусов, что порождает яркое рентгеновское излучение.

Остальные 750 тысяч источников — это активные ядра галактик и квазары, черные дыры чудовищной массы. "Это очень экзотические объекты, невероятно плотные, массой до миллиардов солнечных. В наших окрестностях таких нет, и в лаборатории ничего подобного не смоделируешь", — замечает ученый.

Астрономы Казанского университета наблюдают эти загадочные квазары на оптическом полутораметровом российско-турецком телескопе РТТ-150, созданном в России и установленном в Турции. В южных широтах, в горах астроклимат намного более благоприятный.

© Фото : КФУ

Государственная обсерватория ТЮБИТАК в Турции, где установлен российско-турецкий телескоп РТТ-150

Спектральные приборы и чувствительная ПЗС-матрица телескопа, регистрирующая фотоны, позволяют определить красное смещение z — относительную величину, показывающую скорость удаления объекта от наблюдателя из-за расширения Вселенной и расстояние до источника.

"Мы сфокусировались на оптических отождествлениях и исследовании самых далеких квазаров, обнаруженных обсерваторией СРГ в рентгеновской области. Это очень слабые оптические источники, не ярче 18-20-й звездной величины. Для них нужны крупные оптические телескопы. Зеркала собирают свет от этих слабых далеких объектов, приборы разлагают его в спектр. Мы ищем там эмиссионные линии различных химических элементов, характерные для квазаров. Из-за расширения Вселенной они удаляются от нас на большой скорости, из-за эффекта Доплера спектр смещается в красную область. Если красное смещение меньше единицы, то объект относительно близкий, порядка миллиарда световых лет от нас, z от трех до шести — это очень далекие источники, в 10-12 миллиардах световых лет. Следует отметить, что эмиссионные линии в спектрах квазаров находятся в ультрафиолетовой части спектра. Эффект Доплера смещает их в видимую область, и мы регистрируем спектры далеких квазаров с помощью оптических телескопов", — объясняет профессор Бикмаев.

Самый удаленный рентгеновский квазар, открытый СРГ и подтвержденный учеными из КФУ, находится на z=4,23. Статью об исследовании первой группы далеких квазаров СРГ на телескопе РТТ-150 недавно опубликовали в ведущем научном издании — "Письмах в астрономический журнал".

© Elsevier (2021)

Спектр квазара, открытого в обзоре СРГ, получен на телескопе РТТ-150. Красное смещеник z = 4,23. Из статьи Bikmaev, I.F., Irtuganov, E.N., Nikolaeva, E.A. et al. Spectroscopic Redshift Determination for a Sample of Distant Quasars Detected by the SRG Observatory Based on RTT-150 Observations. I. Astron. Lett. 46, 645–657 (2020).

Для оптических отождествлений более далеких квазаров, на z=5-6, нужно большое зеркало, такое как у шестиметрового телескопа БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН на Северном Кавказе. В 2020-м с его помощью исследовали один из самых ярких в рентгеновском диапазоне квазаров — SRGe J170245.3+130104 на z=5,5. Всего за два года российские ученые на четырех наземных оптических телескопах наблюдали около ста таких объектов, открытых СРГ.

Источники на красном смещении больше семи изучают в инфракрасном диапазоне, в том числе с помощью космического телескопа имени Хаббла.

Пока обнаружили не более тысячи далеких квазаров. Последний — J0313-1806 — открыли на красном смещении 7,6. Несколько лет назад его включили в список кандидатов — по данным нескольких крупных обзоров. И вот теперь подтвердили. Масса — 1,6 миллиарда солнечной. Свет от него шел к нам 13,1 миллиарда лет. Это значит, что мы получили снимок объекта, существовавшего спустя всего 670 миллионов лет после Большого взрыва. Получается, это еще и самый молодой квазар из известных нам. В его родной галактике наблюдали активное звездообразование.

Квазары — это ключ к истории Галактики. В ее центре находится черная дыра массой всего четыре миллиона солнечных, пылинка по сравнению с квазаром. Она слабо излучает в рентгене, потому что неактивна — ей нечем питаться. Практически вся пыль и газ в центре Млечного Пути ушли на образование звезд. Ближайшие черная дыра поглотила, далекие уронить на себя не может. В молодых галактиках все не так: свободное вещество еще есть, центральная черная дыра его затягивает и наращивает массу, превращаясь в квазар.

Нерешенная загадка гамма-всплесков

Мало что может сравниться по мощности и яркости во Вселенной с гамма-всплесками. Солнце излучает 10³³ эрг за секунду, наша Галактика — 10⁴³. А при гамма-всплеске энергии еще на десять порядков больше. Эти источники открыли в середине 1960-х, но до сих пор непонятно, что это такое.

Гамма-всплеск длится секунды, однако благодаря чрезвычайной яркости его успевают зарегистрировать орбитальные гамма- и рентгеновские телескопы. Они сразу рассылают астрономические телеграммы с координатами на небе, и ученые по всему миру наблюдают оптическое послесвечение космических взрывов.

"Эти события происходят в далеких галактиках на красном смещении от двух до четырех и больше. Колоссальное количество энергии выделяется за сто секунд. Согласно рабочей гипотезе, это вспышки гиперновых звезд массой в тысячу и больше солнечных. В нашей Галактике таких массивных звезд нет. Вспышки звезд поменьше, 10-30 масс Солнца, называются сверхновыми. За тысячу лет истории человечества в нашей Галактике вспышки сверхновых происходили лишь несколько раз. А гамма-всплески современные орбитальные телескопы регистрируют практически каждый день. Мы тоже около десяти лет наблюдали оптическое послесвечение этих событий с помощью телескопа РТТ-150 и опубликовали около сотни астрономических телеграмм совместно с российскими учеными из ИКИ РАН и турецкими коллегами", — продолжает Ильфан Бикмаев.

Что управляет веществом галактик

Среди самых далеких объектов Вселенной есть и скопления галактик — тоже очень необычные объекты.

"В скоплении между галактиками находится газ, разогретый до одного-двух миллионов градусов. Он излучает в рентгене и доступен для наблюдения "Спектром-РГ". Откуда этот газ, пока неизвестно. Возможно, притекает из галактик, когда там вспыхивают сверхновые, что подтверждают линии железа в рентгеновском спектре межгалактического газа. Этот тяжелый элемент нарабатывается долго в недрах звезд", — говорит астроном.

Раскаленный газ по законам термодинамики должен покинуть скопление галактик, но его удерживает нечто гораздо более массивное, чем видимое вещество, наполняющее скопление. Ученые называют это темной материей, потому что мы не можем ее никак наблюдать и не знаем, из чего она состоит.

© Иллюстрация РИА Новости . NASA, ESA

Самые далекие объекты во Вселенной — галактики, квазары, гамма-всплески, скопления галактик. Они расположены на красном смещении z > 2

"Скопления галактик показывают места во Вселенной с максимальной концентрацией темной материи. Как она распределена, неизвестно. Нужны спектры ярчайших галактик в скоплениях, их красное смещение, расстояние, объемное распределение скоплений галактик во Вселенной. Теоретически они не должны быть равномерными, скорее ячеистыми. Возможно, именно темная материя гравитационно управляет видимым веществом, контролирует, где и когда скопление галактик сформируется", — поясняет Бикмаев.

Согласно астрономическим наблюдениям и теоретическим расчетам, видимое вещество, то есть звезды, газ и пыль — это всего лишь несколько процентов массы Вселенной. Четверть приходится на темную материю, остальное, почти семьдесят процентов, принадлежит еще более таинственной субстанции — темной энергии. Ради разгадки этих тайн ученые продвигаются все дальше в пространстве-времени, к исходной точке, с которой все началось.

© Иллюстрация РИА Новости

Состав Вселенной