Космология
Астрономы наблюдали «космическое цунами»
С помощью телескопа «Хаббл» команда астрономов из Политехничесого университета Виргинии (Virginia Tech, США) обнаружила самые энергичные потоки, когда-либо наблюдавшиеся во Вселенной. Потоки исходят из квазаров и разрывают межзвездное пространство, как цунами на Земле, нанося ущерб галактикам, в которых находятся их источники, – в том числе, останавливают звездообразование, говорится в пресс-релизе Virginia Tech.
Квазары – это активные ядра далеких галактик, которые могут сиять в тысячу раз ярче, чем их галактики, состоящие из сотен миллионов звезд. Центральные двигатели квазаров – сверхмассивные черные дыры, которые притягивают газ и звездный материал. Поглощая материю, черная дыра формирует аккреционный диск, который является источником сильного излучения.
Квазарные ветры распространяются по диску галактики, яростно сметая материал, который в противном случае мог бы образовать новые звезды. Согласно исследованию, радиация выталкивает газ и пыль на гораздо большие расстояния, чем считали ученые, создавая событие галактического масштаба.
Когда «космическое цунами» врезается в межзвездный материал, его температура резко возрастает до миллиардов градусов, где материал светится в основном в рентгеновском излучении, но также и по всему световому спектру. Любой, кто станет свидетелем этого события, увидит фантастическое шоу фейерверков. «Сначала вы увидите излучение в рентгеновских и гамма-лучах, а затем оно просочится в видимый и инфракрасный свет, – отметил ведущий автор исследования Наум Арав (Nahum Arav) из Политехнического университета Виргинии. – Вы получите огромное световое шоу: как будто по всей галактике загорелись огни рождественских елок».
Численное моделирование эволюции галактики предполагает, что такие «цунами» могут объяснить, например, почему в некоторых галактиках останавливается звездообразование и, следовательно, почему астрономы наблюдают так мало больших галактик во вселенной. А также объясняет связь между массой галактики и массой ее центральной черной дыры. Это исследование показывает, что такие мощные квазарные потоки должны быть распространены в ранней вселенной.
Симметрия между веществом и антивеществом и устройство нейтронных звезд
Экзотические атомные ядра, называемые гиперядрами, обнаруженные с помощью детектора STAR, подтвердили симметрию между веществом и антивеществом. Результат также может указывать на внутреннее устройство нейтронных звезд, — пишет sciencenews.org.
Экзотическая версия атомного ядра выполняет двойную функцию. Исследование гипертритона одновременно подтверждает основную симметрию природы и потенциально раскрывает новое понимание того, что скрывается внутри сверхплотных нейтронных звезд.
Гипертритон является двойником антигипертритона — антиматерной версии ядра. Оба гиперядра имеют одинаковую массу.
Гиперядро - это атомное ядро, в котором протон или нейтрон были заменены частицей, называемой гипероном. Подобно протонам и нейтронам, гиперон состоит из трех меньших частиц, называемых кварками. В то время как протоны и нейтроны содержат общие разновидности, известные как восходящие и нисходящие кварки, гипероны более необычны. Они содержат по крайней мере один кварк типа, называемого странным кварком.
Сопоставление масс гипертритонов и антигипертритонов подтверждает прочную основу физической основы, известной как СРТ-симметрия. Чтобы визуализировать такую симметрию, представьте себе, что вы берете Вселенную и обмениваете все частицы на их антивещества, переворачиваете ее в зеркале и бежите назад. Физики считают, что, если бы вы могли это сделать, Вселенная вела бы себя так же, как и ее не перевернутая версия. Если бы было обнаружено, что симметрия СРТ не выполняется, физики должны были бы пересмотреть свои теории о Вселенной.
До сих пор ученые не нашли никаких намеков на нарушение СРТ-симметрии, но никогда ранее они не проверяли ее в ядрах, содержащих странные кварки. «Вполне было возможно, что нарушение этой симметрии скрывалось бы в этом маленьком уголке Вселенной и никогда не было обнаружено до сих пор, — говорит физик Деклан Кин из Кентского государственного университета в Огайо. Но равные массы гипертритонов и антигипертритонов, обнаруженные в экспериментах на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне (Нью-Йорк) означают, что СРТ-симметрия сохранилась.
В столкновениях ядер золота на RHIC Кин и его коллеги идентифицировали гиперядра путем поиска частиц, образующихся при распаде гиперядер внутри STAR-детектора весом 1200 метрических тонн. В дополнение к подтверждению преобладания симметрии СРТ, исследователи определили, сколько энергии потребуется для высвобождения гиперона из гиперядра: около 0,4 миллиона электрон-вольт. Предыдущие измерения, которым уже десятки лет, предполагали, что величина, называемая энергией связи ядра, была значительно ниже, причем измерения в основном были ниже 0,2 миллиона электрон-вольт. (Для сравнения, энергия связи ядра, состоящего из протона и нейтрона, составляет около 2,2 миллиона электрон-вольт.)
Новое число может изменить понимание учеными нейтронных звезд — остатков взорвавшихся звезд, которые превращают массу, превышающую массу Солнца, в шар, по ширине равный длине Манхэттена. Сердца нейтронных звезд настолько плотны, что невозможно воссоздать это вещество в лабораторных экспериментах, говорит Морган Фортин из Астрономического центра имени Николая Коперника Польской академии наук в Варшаве. Итак, «есть большой вопрос, что находится в самом центре нейтронных звезд».
Некоторые ученые считают, что ядра нейтронных звезд могут содержать гипероны. Но присутствие гиперонов смягчило бы вещество внутри нейтронных звезд. Более мягкие нейтронные звезды легче падали бы в черные дыры, поэтому не могли бы стать такими массивными, какими являются. Эта особенность затрудняет согласование потенциального присутствия гиперонов с размерами нейтронных звезд, которые достигают примерно двух солнечных масс.
Но измеренная высокая энергия связи гиперона помогает поддерживать идею о заполненном гипероном центре нейтронных звезд. Результат предполагает, что взаимодействия гиперонов с нейтронами и протонами сильнее, чем считалось ранее. Это расширенное взаимодействие означает, что нейтронные звезды с гиперонами более жесткие и могут достигать больших масс, говорит Фортин. Так что нейтронные звезды могут иметь странные сердца.
За пределами Млечного Пути впервые обнаружили молекулярный кислород
В биосфере, частью которой мы являемся, кислород — самый распространенный (если считать по массе) химический элемент. Кора Земли состоит из кислорода почти наполовину. Немало его и в других углах космоса: во Вселенной кислород — третий по распространенности элемент, который уступает лишь водороду (примерно в 70 раз по массе) и гелию (в 23 раза).
Неудивительно, что долгое время астрономы ожидали, что в межзвездном пространстве молекулярного кислорода — того, которым мы дышим — будет достаточно. Однако до сих пор все попытки обнаружить его где-нибудь за пределами нашей Галактики не приносили никакого результата. О первом таком наблюдении рассказывается в новой статье, опубликованной в The Astrophysical Journal.
Цзюньчжи Ван (Junzhi Wang) и его коллеги из Шанхайской астрономической обсерватории рассмотрели далекую галактику Маркарян 231. Она находится в созвездии Большой Медведицы, более чем в 580 миллионах световых лет, и считается ближайшей галактикой с квазаром. Двойная сверхмассивная черная дыра в ее активном центре поглощает вещество так стремительно, что окружающий аккреционный диск начинает испускать яркие и узконаправленные потоки излучения.
Используя радиотелескопы NOEMA и IRAM 30m, ученые обнаружили в спектре галактики, на характерной длине волны 2,52 миллиметра, следы молекулярного кислорода — впервые где-либо за пределами Млечного Пути. Предполагается, что большая часть кислорода Вселенной замерзает в форме льда (атомарного и водного) на пылинках межзвездного вещества. Однако в таком активном регионе, каким является центр Маркарян 231, идет бурное звездообразование (оно происходит примерно в сотню раз интенсивнее, чем в Млечном Пути), под излучением молодых звезд атомарный кислород высвобождается и образует молекулы.
Прежде молекулярный кислород удавалось заметить лишь в Туманности Ориона (около 1300 световых лет от нас) и Облаке Ро Змееносца (460 световых лет) — в пределах нашей собственной Галактики. Однако в Маркарян 231 его оказалось куда больше, чем в этих скоплениях: на два порядка, если сравнивать с Туманностью Ориона.
Обнаружена необычная массивная галактика в ранней Вселенной
Международная группа астрономов во главе с учеными из Университета Калифорнии в Риверсайде (США) обнаружила необычную галактику, существовавшую около 12 миллиардов лет назад, когда Вселенной было всего 1,8 миллиарда лет. С помощью Обсерватории У. М. Кека на Гавайях команда обнаружила, что галактика, получившая название XMM-2599, образовала звезды с высокой скоростью и затем умерла, сообщает пресс-служба обсерватории.
«Еще до того, как Вселенной исполнилось два миллиарда лет, XMM-2599 уже сформировала более 300 миллиардов солнц, став ультрамассивной галактикой», – говорит Бенджамин Форрест (Benjamin Forrest), научный сотрудник Отдела физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде, ведущий автор исследования.
Исследователь добавляет, что XMM-2599 сформировала большинство своих звезд, когда Вселенной было меньше миллиарда лет, а затем – примерно через 800 миллионов лет – стала неактивной.
Теоретические модели предсказывают, что ультрамассивные галактики – такие, как XMM-2599, – могли существовать в молодой Вселенной, хоть их было и очень мало. Согласно тем же моделям, подобные галактики должны активно образовывать звезды. Однако XMM-2599 – интересное исключение из правил. Во-первых, она очень массивная для первых галактик. Во-вторых, после активного периода звездообразования она резко перестала формировать новые звезды. Но почему – на этот вопрос пока нет ответа. Ученые предполагают, что процесс звездообразования остановился, потому что в галактике закончилось «топливо» или активировалась черная дыра.
Исследовательская группа обнаружила, что на пике своей активности XMM-2599 в год производила звезды, общая масса которых превышала 1000 солнечных масс. Это чрезвычайно высокий уровень звездообразования.
Эволюционный путь XMM-2599 пока неясен. Ученые увидели галактику в уже неактивной фазе и что произошло с ней к сегодняшнему дню (спустя более 11 миллиардов лет) – пока неизвестно. Одно известно точно: галактика не могла потерять массу. А что происходило вокруг нее? Может быть, со временем эта галактика притянула своей гравитацией близлежащие звездообразующие галактики, образовав яркий кластер.
«Возможно, в течение последующих 11,7 миллиардов лет космической истории XMM-2599 стала центральным членом одного из самых ярких и массивных скоплений галактик в локальной вселенной, – отмечает один из авторов исследования, Майкл Купер (Michael Cooper), профессор астрономии в Калифорнийском университете в Ирвине (США). – Как альтернативный вариант, она может продолжать существовать в изоляции».
Не исключает ученый и третьего сценария, нечто среднего между первым и вторым вариантами развития событий.
Почти двадцать лет наблюдений за двойной звездной системой подтвердили один из эффектов теории относительности
Коллектив ученых из Германии, Австралии, Дании, Новой Зеландии и Великобритании представил новые доказательства существования эффекта Лензе — Тирринга, одного из явлений, предсказанных общей теорией относительности. Доказательства основаны на данных, собранных в течение почти двадцати лет наблюдений за двойной звездной системой PSR J1141–6545. Она относится к очень редкому типу двойных звезд, так как состоит из нейтронной звезды и белого карлика. Это первый случай наблюдения данного эффекта в звездных системах.
Согласно общей теории относительности, вращение массивного объекта вызывает так называемое «увлечение инерциальных систем отсчета». Оно проявляется в том, что вблизи такого вращающегося тела начинают действовать дополнительные силы, сходные с силой Кориолиса. Под влиянием этих сил будет смещаться плоскость орбиты небесного тела в двойной системе. Назван этот эффект был в честь австрийских ученых Йозефа Лензе и Ганса Тирринга, предсказавших его в 1918 году.
Ранее этот эффект был экспериментально обнаружен при наблюдениях за орбитами спутников, которые испытывают влияние гравитационного поля Земли. Но в данном случае воздействие слишком мало и его сложно измерить. Гораздо сильнее эффект Лензе — Тирринга должен проявляться у вращающихся тел с огромными массами: черных дыр и нейтронных звезд. По словам одного из авторов нынешней работы Норберта Векса из Института радиоастрономии Общества Макса Планка, в таких системах эффект проявляется в сто миллионов раз сильнее.
Норберт Векс и его коллеги использовали 64-метровый радиотелескоп Паркс в Австралии для наблюдения за двойной системой PSR J1141–6545, состоящей из молодого пульсара (нейтронной звезды) и белого карлика. Ученые измеряли время прихода импульсов с точностью до 100 микросекунд в течение почти двадцати лет, что позволило им выявить значительный сдвиг ориентации орбиты белого карлика. Анализируя его возможные причины, они пришли к выводу, что он стал результатом эффекта Лензе — Тирринга.
Обнаружено необычно много кислорода в атмосфере древней звезды
Международная команда астрономов из США, Испании и Великобритании обнаружила большое количество кислорода в атмосфере одной из самых древних звезд – J0815 + 4729. Открытие, сделанное с помощью обсерватории У. М. Кека, дает подсказку о том, как кислород и другие важные элементы образовались в первых поколениях звезд во Вселенной, сообщается на сайте Обсерватории У. М. Кека.
Кислород – третий по распространенности элемент во Вселенной после водорода и гелия. Он необходим для всех форм жизни на Земле, так как является основой для дыхания и строительным блоком углеводов. Также кислород – основной элемент земной коры. Тем не менее, кислорода не было в ранней Вселенной. Он появился в результате реакций ядерного синтеза, которые происходят глубоко внутри самых крупных звезд, массы которых в десять раз и больше превышают массу Солнца.
Чтобы отследить, как появились кислород и другие элементы, необходимо изучить самые старые звезды, которые все еще существуют. J0815 + 4729 – одна из таких звезд. Ее химический состав указывает на то, что звезда сформировалась в течение первых сотен миллионов лет после Большого взрыва, возможно, из материала, выброшенного из первых сверхновых Млечного Пути. Звезда расположена на расстоянии более 5000 световых лет от нас в направлении созвездия Рысь.
Исследовательская группа наблюдала J0815 + 4729 с помощью спектрометра высокого разрешения HIRES обсерватории Кека. С помощью данных, которые были получены в результате более пяти часов наблюдения за звездой в течение одной ночи, ученые смогли измерить содержание 16 химических веществ в атмосфере звезды, включая кислород.
Эта анимация иллюстрирует самую раннюю эпоху Вселенной, сразу после Большого взрыва, когда в еще горячем космосе были созданы первые элементы водорода, гелия и лития. Эти атомы в конечном итоге собрались, чтобы сформировать первое поколение массивных звезд, которые в свою очередь производили более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и азот.
Когда эти массивные звезды взорвались как сверхновые, они выпустили эти более тяжелые элементы во вселенную, в конечном итоге собирая звезды следующего поколения, такие как J0815 + 4729, с его необычно высоким содержанием кислорода.
© Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC)
Данные HIRES обсерватории Кека о звезде показали очень необычный химический состав. По сравнению с количеством железа (примерно одна миллионная часть железа, содержащегося на Солнце), на этой звезде большое количество углерода, азота и кислорода – примерно 10%, 8% и 3% соответственно от общего содержания этих элементов на Солнце.
«В ореоле нашей галактики известно всего несколько таких звезд, но ни у одной из них нет такого огромного количества углерода, азота и кислорода по сравнению с содержанием железа», – подчеркнул Дэвид Агуадо (David Aguado), научный сотрудник Кембриджского университета, один из авторов исследования
Ученые нашли древнейшую космическую пыль
Внутри одного из фрагментов знаменитого Мёрчисонского метеорита, который упал в окрестностях одноименной деревни на юге Австралии в 1969 году, ученые нашли следы самой древней на данный момент материи в Солнечной системе. Ее возраст – окол 7 млрд. лет. Изучение этой космической пыли поможет раскрыть историю жизни и смерти соседних звезд.
«Можно сказать, что мы держим в руках окаменевшие останки звезд. Эти частицы звездной пыли находились в заточении внутри метеорита миллиарды лет назад. Это сделало их идеальными капсулами времени, внутри которых сохранились следы эпохи, которая закончилась еще до рождения Солнечной системы», — объяснил один из авторов статьи, доцент Чикагского университета Филипп Хек.
Земля и прочие планеты, как и само Солнце, сформировались примерно 4,5 млрд лет назад в результате сжатия облака материи, которое состоялло из межзвездного газа и пыли. Следы этой первичной материи Солнечной системы, как предполагают ученые, должны были сохраниться в недрах самых древних комет и астероидов, чьи первые фрагменты, в частности, должны доставить на Землю миссиями OSIRIS-REx и «Хаябуса-2» в ближайшие годы.
Позже приток материи в Солнечную систему прекратился, так как возникла так называемая гелиосфера — пузырь из горячей плазмы солнечного ветра. Он окружает все планеты Солнечной системы и ее ближайшие окраины, а также не дает частицам космической пыли проникнуть внутрь себя, выталкивая их назад в открытый космос. Благодаря этому изотопный и химический состав Солнечной системы заметно отличается от того, как устроена межзвездная среда.
Границы гелиосферы, как недавно выяснили инструменты зондов серии Voyager, находятся примерно в 120 раз дальше от Солнца, чем Земля. По этой причине астрономы получили первые достоверные данные о свойствах межзвездного пространства только в прошлом году, когда Voyager 2 начал изучение космоса за пределами этого плазменного пузыря. По этой причине следы космической пыли, сохранившиеся внутри метеоритов, представляют огромный интерес для астрономов и геологов.
Галактика до начала времен
Хек и его коллеги нашли самые древние из известных сегодня следы космической пыли в Солнечной системе, изучая содержимое осколков метеорита, который упал в окрестностях австралийской деревни Мёрчисон в 1969 году. Он быстро стал известен благодаря тому, что геологи и химики нашли в нем множество аминокислот, примитивных «кирпичиков жизни», в том числе и те, которые на Земле не существуют.
Авторов статьи интересовали более простые и невзрачные компоненты метеорита — зерна карбида кремния, тугоплавкого соединения углерода и кремния. Эти частицы в больших количествах формируются в верхних слоях атмосферы звезд на последних этапах их жизни. В случае с Мёрчисонским метеоритом они явно носили межзвездное происхождение, так как доли изотопов различных элементов внутри них не совпадали с соответствующими значениями для материи Солнечной системы.
Геологи попытались измерить их возраст, воспользовавшись одной закономерностью. Чем дольше зерна космической пыли проводили в межзвездной среде до попадания в «зародыш» Солнечной системы, тем чаще они подвергались действию космических лучей высокой энергии. Эти частицы, в свою очередь, сталкивались с атомами различных соединений, которые есть внутри пыли, и порождали вещества, которые звезды обычно не вырабатывают.
Эта закономерность позволяет вычислить возраст частиц космической пыли, опираясь, к примеру, на соотношение долей неона-21 и гелия-3. Руководствуясь этой идеей, Хек и его коллеги размололи несколько десятков крупных зерен межзвездной материи, пропустили их через ускоритель частиц и точно вычислили их доли.
Оказалось, что большая часть из них возникла относительно недавно — примерно 4,6-4,9 млрд лет назад. Это говорит о том, что перед появлением Солнечной системы произошла мощная вспышка звездообразования по соседству с «зародышем» нашего светила. Еще одно событие такого рода, как на то указывают самые древние зерна пыли, произошло примерно 7 млрд лет назад.
«Многие коллеги думали, что звезды формировались в Млечном Пути с примерно постоянной скоростью. Благодаря этому метеориту и зернам пыли мы получили первые прямые свидетельства того, что это было не так. 7 млрд лет назад в галактике произошло событие, резко ускорившее формирование новых светил», — заключил Хек.
10 825
2 973 
