галактики с большим красным смещением

Снимок далёкой галактики, сделанный с Земли, похож на вид через матовое стекло: атмосфера размывает детали, и внутренняя структура остаётся скрытой. Астрономы давно хотели узнать, где именно в галактиках гаснет звездообразование, но наземные телескопы не позволяли разглядеть тонкие градиенты цвета.

Старый город обзаводится новыми предместьями. В центре — узкие улочки, где жизнь почти замерла, а на окраинах кипит стройка. Так выглядит спиральная галактика, в ядре которой звёзды давно состарились, а во внешнем диске всё ещё рождаются новые.

Ночное небо кажется ровным, но на самом деле в нём есть сгустки — огромные сообщества галактик, которые как линзы искривляют свет далёких объектов. Когда где-то во Вселенной происходит короткая мощная радиовспышка, её путь к земному телескопу может проходить рядом с таким сгустком.

В сердце старого города стоит башня с часами, которые не переводили с момента постройки. По их отставанию можно вычислить, насколько растянулось время с тех пор. В космосе роль таких башен играют реликтовые галактики — плотные звёздные скопления, которые сформировались в первые миллиарды лет и с тех пор не сливались с соседями и не рождали новых звёзд.

Шесть бегунов мчатся по дорожке, и судьи замеряют их скорость, не замечая попутного ветра. Ветер дует всем в спину, и секундомеры показывают результат лучше истинного. Примерно так шесть мегамазеров — естественных космических лазеров в далёких галактиках — ввели в заблуждение астрономов, измерявших скорость расширения Вселенной.

Вселенная похожа на огромный невидимый каркас. Мы не видим его напрямую, но знаем, что он есть: галактики и скопления держатся вместе именно благодаря ему. Этот каркас — тёмная материя, гипотетическая форма материи, не испускающая и не поглощающая свет, но проявляющая себя через гравитацию.

В галактике NGC 1052 DF2 звёзды движутся со скоростью всего 8 километров в секунду — будто никакой невидимой массы вокруг нет. Для сравнения: в нашем Млечном Пути окраинные светила разгоняются до 200 километров в секунду, удерживаемые массивным гало тёмной материи.

Спектрограф JWST поймал едва заметный провал в спектре далёкой галактики — две линии, как тени, оставленные холодным газом. Это линии натрия, тот самый жёлтый свет уличных фонарей. Здесь, на краю видимой Вселенной, они выдают неспешный выдох галактики, возвращающей вещество обратно в космос.

В ранней Вселенной, всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, астрономы видят странные объекты — маленькие красные точки. Они компактны, красны, а в их спектрах широкие бальмеровские линии кричат о присутствии сверхмассивных чёрных дыр. Но как дыра успела набрать миллионы солнечных масс за столь короткое время?

Охотник за древним светом — телескоп Джеймс Уэбб — навёл свои зеркала на крошечный участок неба и засёк странный маячок. Объект с рабочим именем beacon_1420-$$5253_{4770}$$ вспыхнул и погас. Сначала его записали в кандидаты на самую далёкую галактику — будто бы мы видим её всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва.

Два города пережили череду пожаров. В одном ветер разносит пепел далеко за окраины, и небо остаётся чистым. В другом — пепел оседает плотной завесой, окрашивая закаты в багровый. Примерно так же, только в масштабах галактик, работают взрывы сверхновых — финальные вспышки массивных звёзд.

Почти два месяца требуется звёздной паре J05+50, чтобы завершить один оборот вокруг общего центра. С Земли она выглядит как слабая точка в созвездии Геркулеса — 4625 парсек от нас. Фотометрия с двойной звезды фиксирует лишь мерное покачивание яркости, словно пульс огромного сердца.

Оптический фон неба — это космический палимпсест, где свет миллиардов неразрешённых галактик накладывается слоями, соответствующими разным эпохам. До сих пор мы различали только самые яркие «буквы» — отдельные звёзды и близкие галактики.

В 2016 году астрономы увидели невероятное: далёкая звезда, названная Икаром, на несколько недель вспыхнула, преодолев бездну пространства. Сработало гравитационное линзирование — эффект, предсказанный Эйнштейном: массивный объект искривляет пространство-время и фокусирует свет, словно гигантская лупа.

В гигантской космической колыбели — туманности Тарантул — астрономы присмотрелись к 122 массивным звёздам. Каждая тяжелее Солнца в 30 раз и больше. Измерили содержание азота в их атмосферах — и картина оказалась неожиданной.

В юной Вселенной, около десяти миллиардов лет назад, галактики напоминали бескрайние поля после грозы: повсюду, вскипая, всходили гигантские — в тысячи световых лет — сгустки звездорождения, где молодые звёзды нарождались с безудержной энергией. Сегодня эти участки — почти исчезнувший вид: в окрестных галактиках буйные очаги встречаются редко.

Когда мы смотрим вглубь космоса, мы видим прошлое. Закон Эдвина Хаббла превращает красное смещение в машину времени: свет от галактики UDS 12999 шёл до нас 7.6 миллиарда лет — больше половины жизни Вселенной.

Когда JWST всмотрелся в юную Вселенную на красных смещениях 6–10, он обнаружил россыпь загадочных «маленьких красных точек» (LRD). Эти объекты сочетали черты галактик и активных ядер, но их спектры отказывались вписываться в привычные схемы.

Каждый быстрый радиовсплеск — как гулкий удар колокола в пустоте. И в его затухающем звоне зашифрована вся структура пространства: на пути в миллиарды световых лет радиоимпульс слегка задерживается каждым встречным свободным электроном.

Представьте прожектор: если смотреть на него сбоку, он светит тускло-красным, а если прямо в лицо — ослепляет бело-голубым. Именно так, согласно новым данным, выглядят загадочные «маленькие красные точки» в ранней Вселенной. Это гигантские чёрные дыры — объекты с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть, — повёрнутые к нам ребром.

Когда далёкая галактика посылает нам свет, он ослабевает с расстоянием — и по этому ослаблению можно узнать, как далеко она находится. Примерно так же работают гравитационные волны: чем дальше их источник, тем слабее дрожь пространства, которую ловят детекторы на Земле.

Вселенная растёт, как мегаполис: галактики-небоскрёбы возводятся на невидимом каркасе из тёмной материи — гипотетической субстанции, не излучающей свет, но создающей гравитационное притяжение, которое стягивает строительный материал.

Эллиптические галактики — тихие звёздные мегаполисы на пенсии. По всем законам их свет должен быть спокойным, красноватым, как закат. Но спектры кричат об обратном: в далёком ультрафиолете эти старушки полыхают, словно новогодние гирлянды. Три десятилетия астрономы ломали голову над этим «ультрафиолетовым подъёмом» (UV upturn).

Вселенную можно представить как густой лес: вблизи мы различаем отдельные деревья-галактики, собранные в группы и скопления — своего рода рощи, но издалека всё сливается в сплошную зелень. Грань, за которой космос становится однородным, называют угловым масштабом однородности — это минимальный угловой размер участка неба, начиная с которого галактики распределены равномерно, без заметных сгущений.

Когда космический телескоп Джеймса Уэбба направил свой взор вглубь времён, астрономы ожидали увидеть привычные галактики. Но вместо этого снимки запестрели россыпью ярких, невероятно компактных красных точек.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» заглянул в эпоху, когда Вселенной было меньше миллиарда лет, и обнаружил там сотни странных объектов. Крошечные, но ослепительно яркие, они сияли глубоким красным цветом — словно раскалённые угли, разбросанные по чёрному бархату космоса.

Первые два миллиарда лет после Большого взрыва — эпоха, когда Вселенная напоминала кипящий строительный котлован. Тёмная материя сбивала газ в комки, и тот вспыхивал первыми звёздами. Казалось бы, времени собрать из этого сырья массивные эллиптические галактики — «уснувшие» мегаполисы звёзд — просто не хватало.

Снимки космического телескопа «Джеймс Уэбб» обнаружили неожиданно интенсивное свечение первых галактик — колоссальных звёздных систем, сформировавшихся вскоре после Большого взрыва. Представьте: тостер подрумянивает ломтик хлеба за минуту, а духовка выпекает буханку целый час — результат, в сущности, одинаков.

Среди драгоценных россыпей ранней Вселенной, запечатлённых Джеймсом Уэббом, есть объекты, похожие на рубиновые бусины, рассыпанные по чёрному бархату. Это «маленькие красные точки» (LRD) — компактные источники с крутыми красными спектрами, внутри которых прячутся сверхмассивные чёрные дыры до ста миллионов солнечных масс.

Космический телескоп Джеймса Уэбба разглядел в глубинах космоса удивительные объекты — маленькие красные точки, которые светят так ярко, будто в крошечной лампочке спрятан прожектор. Эти точки — не звёзды и не галактики в привычном понимании, а скорее «коконы» вокруг сверхмассивных чёрных дыр, жадно заглатывающих окружающий газ.

Художник пишет портрет мазок за мазком, а потом ему предлагают фотоаппарат со вспышкой — один щелчок, и готово. Примерно так выглядит переход от многошаговых моделей к одношаговым в создании изображений галактик. Обычные нейросети для синтеза картинок работают как художник-акварелист: наносят слой, размывают, добавляют детали.

Две звезды кружатся друг вокруг друга, словно танцоры в медленном вальсе. Этот танец не вечен: партнёры постепенно сближаются, пока не столкнутся и не сольются в единое целое. В этот самый миг рождается красная новая — вспышка, которая на несколько недель загорается на небе, а потом медленно гаснет, окутываясь плотным облаком пыли.

Телескоп JWST зарегистрировал в молодой Вселенной множество ярких галактик. Их ультрафиолетовое излучение почти не поглощалось космической пылью – мельчайшими твёрдыми частицами, рассеянными в межзвёздном пространстве, – вопреки прежним ожиданиям.

Эдвин Хаббл и Жорж Леметр почти век назад заложили основы концепции расширения Вселенной — процесса, при котором само пространство между галактиками непрерывно растягивается.

Вокруг нашей Галактики, словно невидимая корона, простирается разреженное облако газа, раскалённое до миллионов градусов. Его называют галактическим гало. Увидеть это свечение напрямую сложно — оно испускает мягкие рентгеновские лучи, которые поглощает земная атмосфера.

Свет от далёкой галактики Дракон летит к нам больше семи миллиардов лет. По дороге он проходит мимо огромного скопления галактик, которое своей гравитацией искривляет путь света, как линза. Поэтому галактика кажется нам ярче и больше, чем есть на самом деле — так лупа увеличивает мелкий текст. Внутри этой космической линзы есть и отдельные звёзды.

В саду, где первые же цветы не просто распускаются, а тут же роняют семена далеко за ограду, есть что-то невероятно щедрое. Похожее происходило в юной Вселенной. Галактики, возникшие спустя каких-то 500–700 миллионов лет после Большого взрыва, уже были окружены газом, полным углерода, кремния и кислорода — элементов, которые рождаются только внутри звёзд.

В огромной космической паутине телескоп Джеймс Уэбб разглядел нечто необычное — крошечные, но яркие красные искры, которые астрономы прозвали «маленькими красными точками». Они светят так, словно внутри бурлит невидимый костер: их спектр похож на букву V, а линии водорода расширены, будто кто-то размазал краску по холсту.

На детской площадке карусель только что раскрутили. В первые мгновения дети ещё толпятся, цепляются за поручни, и общая картина — хаос. Но проходит пара секунд, и центробежная сила выстраивает их по кругу, придавая движению чёткую форму.

Радиотелескоп FAST в Китае — это гигантская тарелка диаметром полкилометра, спрятанная в естественной воронке среди гор. Она ловит радиоволны из космоса, и в свежем обзоре неба ей попались 70 странных объектов: они испускают радиосигнал, характерный для облаков водорода, но в обычный оптический телескоп на их месте почти ничего не видно.