"Вебб" розгледів одразу 44 зорі у далекій галактиці завдяки гравітаційному лінзуванню

Астрономи за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST) сфотографували понад 40 окремих зірок у галактиці, розташованій так далеко, що їхнє світло сягає часів, коли Всесвіт був лише вдвічі молодшим за його сучасний вік.

Про це розповідають в Університеті штату Аризона (ASU) та в Гарвард-Смітсонівському Центрі астрофізики (CfA), передають OstanniPodii.com.

Спостереження за окремими зорями на півдорозі спостережуваного Всесвіту зазвичай вважається неможливим в астрономії, на кшталт спроби розгледіти в бінокль окремі пилинки у кратерах Місяця. Однак завдяки дивовижному космічному явищу міжнародна команда астрономів досягла цієї, здавалося б, недосяжної мети.

Використовуючи дані JWST, астрономи спостерігали галактику на відстані майже 6,5 мільярдів світлових років від Землі в той час, коли вік Всесвіту був удвічі меншим за нинішній. У цій далекій галактиці команда ідентифікувала 44 окремі зорі, які стали видимими завдяки ефекту, відомому як гравітаційне лінзування, і високій здатності JWST збирати світло.

Відкриття, опубліковане в журналі Nature Astronomy, знаменує собою рекордне досягнення -- найбільшу кількість окремих зірок, виявлених у далекому Всесвіті. Воно також відкриває шлях до вивчення однієї з найбільших таємниць Всесвіту -- темної матерії.

"Це революційне відкриття вперше демонструє, що вивчення великої кількості окремих зірок у далекій галактиці можливе", - сказав докторант CfA, співавтор дослідження Фенгву Сун. "У той час, як попередні дослідження за допомогою космічного телескопа "Габбл" виявили близько семи зірок, тепер ми маємо можливість розпізнавати зорі, які раніше були за межами наших можливостей. Важливо, що спостереження більшої кількості окремих зірок також допоможе нам краще зрозуміти темну матерію в площині лінзи цих галактик і зірок, чого ми не могли зробити, маючи лише кілька окремих зірок, спостережуваних раніше".

Скарбниця зірок

Ця скарбниця зірок буда знайдена під час вивчення зображень JWST галактики, відомої як Дуга Дракона, розташованої вздовж лінії видимості з Землі поза масивним скупченням галактик під назвою Абелл 370. Завдяки ефекту гравітаційного лінзування, Абелл 370 розтягує характерну спіраль Дуги Дракона до витягнутої форми -- ніби у дзеркальній залі космічних масштабів.

У грудні 2022 і 2023 років JWST отримав два зображення Дуги Дракона. На цих знімках астрономи нарахували 44 окремі зорі, яскравість яких змінювалася з часом через варіації ландшафту гравітаційного лінзування.

Дослідницька група ретельно проаналізувала кольори кожної зі знайдених зірок та виявила, що багато з них є червоними надгігантами, подібними до Бетельгейзе в сузір′ї Оріона, яка перебуває на завершальній стадії свого життя. Це контрастує з попередніми відкриттями, які переважно ідентифікували блакитні "надгіганти", подібні до Ригеля й Денеба, які є одними з найяскравіших зірок у нічному небі. За словами дослідників, ця різниця в типах зірок також підкреслює унікальну силу спостережень JWST в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, які можуть виявити зорі з нижчими температурами.

"Коли ми відкрили ці окремі зорі, ми фактично шукали фонову галактику, яка лінзовано збільшується галактиками в цьому масивному скупченні", - каже Сун. "Але коли ми обробили дані, то зрозуміли, що там було багато окремих зоряних точок. Це була захоплива знахідка, тому що ми вперше змогли побачити так багато окремих зірок так далеко".

Сун, зокрема, з нетерпінням чекає наступної можливості вивчати ці червоні надгіганти. "Ми знаємо більше про червоні надгіганти в нашому локальному галактичному сусідстві, тому що вони ближче, і ми можемо робити кращі зображення та спектри, а іноді навіть визначати зорі. У майбутніх дослідженнях ми можемо використовувати знання, отримані при вивченні червоних надгігантів у місцевому Всесвіті, для інтерпретації того, що відбувається з ними на такій ранній стадії формування галактик".

Окремі зорі у далеких, розпливчастих галактиках

Більшість галактик, включаючи Чумацький Шлях, містять десятки мільярдів зірок. Астрономи можуть спостерігати зорі одну за одною в сусідніх галактиках, таких як галактика Андромеди. Однак у галактиках, віддалених від нас на мільярди світлових років, зорі здаються змішаними, оскільки їхнє світло долає мільярди світлових років, перш ніж потрапляє до нас. Це давній виклик для вчених, які вивчають, як формуються та еволюціонують галактики.

"Для нас галактики, які знаходяться дуже далеко, зазвичай виглядають як розпливчасті, нечіткі плями", - говорить провідний автор дослідження Йошинобу Фудамото, доцент Університету Чіба в Японії. "Але насправді ці згустки складаються з багатьох-багатьох окремих зірок. Ми просто не можемо розрізнити їх за допомогою наших телескопів".

Останні досягнення в астрономії відкрили нові можливості завдяки використанню гравітаційного лінзування -- природного ефекту збільшення, спричиненого сильними гравітаційними полями масивних об′єктів. Як передбачав Альберт Ейнштейн, гравітаційні лінзи можуть посилювати світло далеких зірок у сотні й навіть тисячі разів, роблячи їх доступними для виявлення за допомогою таких чутливих інструментів, як JWST.

Однак навіть потужного гравітаційного збільшення від скупчення галактик недостатньо, щоб збільшити окремі зорі в галактиках, розташованих ще далі. У цьому випадку відкриття стало можливим завдяки випадковому розташуванню "щасливих зірок".

"Всередині скупчення галактик є багато зірок, які плавають навколо, не пов′язані з жодною галактикою", - каже співавтор дослідження Ейічі Егамі, професор-дослідник з Обсерваторії Стюарда. "Коли одна з них проходить перед фоновою зорею у далекій галактиці на лінії видимості із Землею, вона діє як мікролінза, на додаток до ефекту мікролінзування скупчення галактик в цілому".

Комбіновані ефекти мікролінзування різко посилюють коефіцієнт збільшення, дозволяючи JWST вловлювати окремі зорі, які в іншому випадку були б занадто далекими та слабкими, щоб їх можна було виявити.

Очікується, що майбутні спостереження JWST захоплять більше збільшених зірок у галактиці Дуги Дракона. Ці зусилля можуть призвести до детального вивчення сотень зірок у далеких галактиках. Щобільше, спостереження за окремими зорями можуть дати уявлення про структуру гравітаційних лінз і навіть пролити світло на невловну природу темної матерії.

Як саме астрономи можуть спостерігати зорі у далеких галактиках?

Надзвичайно сильне збільшення гравітаційної лінзи, при якому поєднуються макролінза й мікролінза

Спостереження окремих зірок у далеких галактиках неможливе без гравітаційної лінзи, в якій світло від далеких галактик спотворюється втручанням великих мас, як і передбачає теорія загальної відносності. Однак навіть надзвичайно сильне гравітаційне збільшення від скупчення галактик недостатнє, щоб збільшити окремі зорі у далеких галактиках. Щоб досягти необхідного збільшення для далеких зірок, необхідно об′єднати дві гравітаційні лінзи.

На зображенні нижче масивна темна матерія в скупченні галактик діє як перша "макролінза", збільшуючи й спотворюючи далекі галактики. Водночас зорі в скупченні галактик слугують вторинними "мікролінзами", ще більше збільшуючи окремі зорі у далеких галактиках на обмежений, короткий час. За короткий проміжок часу -- від кількох днів до тижня -- коли ці два ефекти ідеально узгоджуються з віддаленими зорями, збільшення та видима яскравість зірок значно зростають. Спостерігаючи одну й ту саму галактику кілька разів, астрономи можуть виявити зорі у далеких галактиках так, як вони мерехтять завдяки різним ефективним збільшенням, створеним комбінованим ефектом макролінз/мікролінз.

Масивний, але невидимий ореол темної матерії скупчення галактик працює як "макролінза", тоді як самотні, незв′язані зорі, що дрейфують крізь скупчення, діють як додаткові "мікролінзи", посилюючи коефіцієнт збільшення. Ілюстрація: Yoshinobu Fudamoto

OstanniPodii.com

• телескоп Вебба
• гравітаційне лінзування