"Уэбб" разглядел сразу 44 звезды в далекой галактике благодаря гравитационному линзированию

Астрономы с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) сфотографировали более 40 отдельных звезд в галактике, расположенной так далеко, что их свет достигает времен, когда Вселенная была лишь вдвое моложе ее современного возраста.

Об этом рассказывают в Университете штата Аризона (ASU) и в Гарвард-Смитсоновском Центре астрофизики (CfA), передают OstanniPodii.com.

Наблюдение за отдельными звездами на полпути наблюдаемой Вселенной обычно считается невозможным в астрономии, вроде попытки разглядеть в бинокль отдельные пылинки в кратерах Луны. Однако благодаря удивительному космическому явлению международная команда астрономов достигла этой, казалось бы, недостижимой цели.

Используя данные JWST, астрономы наблюдали галактику на расстоянии почти 6,5 миллиардов световых лет от Земли в то время, когда возраст Вселенной был вдвое меньше нынешнего. В этой далекой галактике команда идентифицировала 44 отдельные звезды, которые стали видимыми благодаря эффекту, известному как гравитационное линзирование, и высокой способности JWST собирать свет.

Открытие, опубликованное в журнале Nature Astronomy, знаменует собой рекордное достижение -- наибольшее количество отдельных звезд, обнаруженных в далекой Вселенной. Оно также открывает путь к изучению одной из величайших тайн Вселенной -- темной материи.

"Это революционное открытие впервые демонстрирует, что изучение большого количества отдельных звезд в далекой галактике возможно", - сказал докторант CfA, соавтор исследования Фенгву Сун. "В то время, как предыдущие исследования с помощью космического телескопа "Хаббл" обнаружили около семи звезд, теперь мы имеем возможность распознавать звезды, которые ранее были за пределами наших возможностей. Важно, что наблюдение большего количества отдельных звезд также поможет нам лучше понять темную материю в плоскости линзы этих галактик и звезд, чего мы не могли сделать, имея лишь несколько отдельных звезд, наблюдаемых ранее".

Сокровищница звезд

Эта сокровищница звезд была найдена во время изучения изображений JWST галактики, известной как Дуга Дракона, расположенной вдоль линии видимости с Земли за массивным скоплением галактик под названием Абелл 370. Благодаря эффекту гравитационного линзирования, Абелл 370 растягивает характерную спираль Дуги Дракона до вытянутой формы -- будто в зеркальном зале космических масштабов.

В декабре 2022 и 2023 годов JWST получил два изображения Дуги Дракона. На этих снимках астрономы насчитали 44 отдельные звезды, яркость которых менялась со временем из-за вариаций ландшафта гравитационного линзирования.

Исследовательская группа тщательно проанализировала цвета каждой из найденных звезд и обнаружила, что многие из них являются красными сверхгигантами, подобными Бетельгейзе в созвездии Ориона, находящейся на завершающей стадии своей жизни. Это контрастирует с предыдущими открытиями, которые преимущественно идентифицировали голубые "сверхгиганты", подобные Ригелю и Денебу, являющимся одними из самых ярких звезд в ночном небе. По словам исследователей, эта разница в типах звезд также подчеркивает уникальную силу наблюдений JWST в инфракрасном диапазоне длин волн, которые могут обнаружить звезды с более низкими температурами.

"Когда мы открыли эти отдельные звезды, мы фактически искали фоновую галактику, которая линзованно увеличивается галактиками в этом массивном скоплении", - говорит Сун. "Но когда мы обработали данные, то поняли, что там было много отдельных звездных точек. Это была захватывающая находка, потому что мы впервые смогли увидеть так много отдельных звезд так далеко".

Сун, в частности, с нетерпением ждет следующей возможности изучать эти красные сверхгиганты. "Мы знаем больше о красных сверхгигантах в нашем локальном галактическом соседстве, потому что они ближе, и мы можем делать лучшие изображения и спектры, а иногда даже определять звезды. В будущих исследованиях мы можем использовать знания, полученные при изучении красных сверхгигантов в местной Вселенной, для интерпретации того, что происходит с ними на такой ранней стадии формирования галактик".

Отдельные звезды в далеких, расплывчатых галактиках

Большинство галактик, включая Млечный Путь, содержат десятки миллиардов звезд. Астрономы могут наблюдать звезды одну за другой в соседних галактиках, таких как галактика Андромеды. Однако в галактиках, удаленных от нас на миллиарды световых лет, звезды кажутся смешанными, поскольку их свет преодолевает миллиарды световых лет, прежде чем попадает к нам. Это давний вызов для ученых, изучающих, как формируются и эволюционируют галактики.

"Для нас галактики, которые находятся очень далеко, обычно выглядят как расплывчатые, нечеткие пятна", - говорит ведущий автор исследования Йошинобу Фудамото, доцент Университета Чиба в Японии. "Но на самом деле эти сгустки состоят из многих-многих отдельных звезд. Мы просто не можем различить их с помощью наших телескопов".

Последние достижения в астрономии открыли новые возможности благодаря использованию гравитационного линзирования -- естественного эффекта увеличения, вызванного сильными гравитационными полями массивных объектов. Как предсказывал Альберт Эйнштейн, гравитационные линзы могут усиливать свет далеких звезд в сотни и даже тысячи раз, делая их доступными для обнаружения с помощью таких чувствительных инструментов, как JWST.

Однако даже мощного гравитационного увеличения от скопления галактик недостаточно, чтобы увеличить отдельные звезды в галактиках, расположенных еще дальше. В этом случае открытие стало возможным благодаря случайному расположению "счастливых звезд".

"Внутри скопления галактик есть много звезд, которые плавают вокруг, не связанные ни с одной галактикой", - говорит соавтор исследования Эйичи Эгами, профессор-исследователь из Обсерватории Стюарда. "Когда одна из них проходит перед фоновой звездой в далекой галактике на линии видимости с Землей, она действует как микролинза, в дополнение к эффекту микролинзирования скопления галактик в целом".

Комбинированные эффекты микролинзирования резко усиливают коэффициент увеличения, позволяя JWST улавливать отдельные звезды, которые в противном случае были бы слишком далекими и слабыми, чтобы их можно было обнаружить.

Ожидается, что будущие наблюдения JWST захватят больше увеличенных звезд в галактике Дуги Дракона. Эти усилия могут привести к детальному изучению сотен звезд в далеких галактиках. Более того, наблюдения за отдельными звездами могут дать представление о структуре гравитационных линз и даже пролить свет на неуловимую природу темной материи.

Как именно астрономы могут наблюдать звезды в далеких галактиках?

Чрезвычайно сильное увеличение гравитационной линзы, при котором сочетаются макролинза и микролинза

Наблюдение отдельных звезд в далеких галактиках невозможно без гравитационной линзы, в которой свет от далеких галактик искажается вмешательством больших масс, как и предсказывает теория общей относительности. Однако даже чрезвычайно сильное гравитационное увеличение от скопления галактик недостаточно, чтобы увеличить отдельные звезды в далеких галактиках. Чтобы достичь необходимого увеличения для далеких звезд, необходимо объединить две гравитационные линзы.

На изображении ниже массивная темная материя в скоплении галактик действует как первая "макролинза", увеличивая и искажая далекие галактики. В то же время звезды в скоплении галактик служат вторичными "микролинзами", еще больше увеличивая отдельные звезды в далеких галактиках на ограниченное, короткое время. За короткий промежуток времени -- от нескольких дней до недели -- когда эти два эффекта идеально согласуются с удаленными звездами, увеличение и видимая яркость звезд значительно возрастают. Наблюдая одну и ту же галактику несколько раз, астрономы могут обнаружить звезды в далеких галактиках так, как они мерцают благодаря различным эффективным увеличениям, созданным комбинированным эффектом макролинз/микролинз.

Массивный, но невидимый ореол темной материи скопления галактик работает как "макролинза", тогда как одинокие, несвязанные звезды, дрейфующие сквозь скопление, действуют как дополнительные "микролинзы", усиливая коэффициент увеличения. Иллюстрация: Yoshinobu Fudamoto

OstanniPodii.com

• телескоп Уэбба
• гравитационное линзирование