Уэбб открывает новое окно в науке о сверхновых

JADES Deep Field использует наблюдения, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА (JWST) в рамках программы JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Команда астрономов, изучающая данные JADES, выявила около 80 объектов (обведены зеленым), яркость которых со временем менялась. Большинство этих объектов, известных как транзиенты, являются результатом взрыва звезд или сверхновых. До этого исследования было обнаружено лишь несколько сверхновых с красным смещением выше 2, что соответствует возрасту Вселенной всего 3,3 миллиарда лет — всего 25% от ее нынешнего возраста. Образец JADES содержит множество сверхновых, которые взорвались еще дальше в прошлом, когда Вселенной было менее 2 миллиардов лет. Она включает в себя самую дальнюю из когда-либо подтвержденных спектроскопически звезд с красным смещением 3,6. Ее звезда-прародитель взорвалась, когда Вселенной было всего 1,8 миллиарда лет. Автор: NASA, ESA, CSA, STScI, JADES Collaboration

Заглянув глубоко в космос, космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба дает ученым первое подробное представление о сверхновых звездах того времени, когда наша Вселенная была лишь небольшой частью своего нынешнего возраста. Команда, использующая данные Уэбба, обнаружила в ранней Вселенной в 10 раз больше сверхновых, чем было известно ранее. Некоторые из вновь обнаруженных взрывающихся звезд являются наиболее отдаленными примерами своего типа, включая те, которые используются для измерения скорости расширения Вселенной.

«Уэбб — это машина для открытия сверхновых», — сказала Криста ДеКурси, аспирантка третьего курса Обсерватории Стюарда и Университета Аризоны в Тусоне. «Огромное количество обнаружений плюс огромные расстояния до этих сверхновых — два наиболее интересных результата нашего исследования».

ДеКурси представил эти результаты на пресс-конференции на 244-м собрании Американского астрономического общества в Мэдисоне, штат Висконсин.

«Машина для открытия сверхновых»

Чтобы сделать эти открытия, команда проанализировала данные изображений, полученные в рамках программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Уэбб идеально подходит для поиска чрезвычайно далеких сверхновых, поскольку их свет имеет более длинные волны — явление, известное как космологическое красное смещение.

До запуска Уэбба было обнаружено лишь несколько сверхновых с красным смещением выше 2, что соответствует возрасту Вселенной всего 3,3 миллиарда лет — всего 25% от ее нынешнего возраста. Образец JADES содержит множество сверхновых, которые взорвались еще дальше в прошлом, когда Вселенной было менее 2 миллиардов лет.

Ранее исследователи использовали космический телескоп НАСА «Хаббл» для наблюдения за сверхновыми, когда Вселенная находилась на стадии «молодой взрослой». С помощью JADES ученые видят сверхновые, когда Вселенная была в «подростковом» или «предподростковом» периоде. В будущем они надеются вернуться к «малышевой» или «младенческой» фазе Вселенной.

Чтобы обнаружить сверхновые, команда сравнила несколько изображений, сделанных с разницей в один год, и искала источники, которые исчезли или появились на этих изображениях. Эти объекты, наблюдаемая яркость которых меняется с течением времени, называются транзиентами, а сверхновые являются разновидностью транзиентов. В целом команда JADES Transient Survey Sample обнаружила около 80 сверхновых на участке неба толщиной всего с рисовое зернышко, находящееся на расстоянии вытянутой руки.

«Это действительно наш первый образец того, как выглядит Вселенная с высоким красным смещением для науки о переходных процессах», — сказал товарищ по команде Джастин Пирел, научный сотрудник НАСА по Эйнштейну в Научном институте космического телескопа (STScI) в Балтиморе, штат Мэриленд. «Мы пытаемся определить, отличаются ли далекие сверхновые от того, что мы видим в соседней Вселенной, или очень похожи на них».

Пирель и другие исследователи STScI провели экспертный анализ, чтобы определить, какие транзиенты на самом деле были сверхновыми, а какие нет, потому что часто они выглядели очень похожими.

Команда идентифицировала ряд сверхновых с высоким красным смещением, в том числе самую далекую из когда-либо подтвержденных спектроскопически с красным смещением 3,6. Ее звезда-прародитель взорвалась, когда Вселенной было всего 1,8 миллиарда лет. Это так называемая сверхновая с коллапсом ядра, взрыв массивной звезды.

На этой мозаике изображены три из примерно 80 транзиентов или объектов меняющейся яркости, идентифицированных по данным программы JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Большинство переходных процессов являются результатом взрыва звезд или сверхновых. Сравнивая изображения, сделанные в 2022 и 2023 годах, астрономы могли обнаружить сверхновые, которые, с нашей точки зрения, недавно взорвались (как примеры, показанные в первых двух столбцах), или сверхновые, которые уже взорвались и чей свет угасал (третий столбец). Возраст каждой сверхновой можно определить по ее красному смещению (обозначенному буквой «z»). Свет самой далекой сверхновой с красным смещением 3,8 зародился, когда Вселенной было всего 1,7 миллиарда лет. Красное смещение 2,845 соответствует времени через 2,3 миллиарда лет после Большого взрыва. Ближайший пример с красным смещением 0,655 показывает свет, покинувший галактику около 6 миллиардов лет назад, когда Вселенная была чуть более половины своего нынешнего возраста. Автор: NASA, ESA, CSA, STScI, Christa DeCoursey (University of Arizona), JADES Collaboration

Открытие далеких сверхновых типа Ia

Особый интерес для астрофизиков представляют сверхновые типа Ia. Эти взрывающиеся звезды настолько предсказуемо яркие, что их используют для измерения далеких космических расстояний и помогают ученым рассчитать скорость расширения Вселенной. Команда идентифицировала по крайней мере одну сверхновую типа Ia с красным смещением 2,9. Свет от этого взрыва начал приближаться к нам 11,5 миллиардов лет назад, когда Вселенной было всего 2,3 миллиарда лет. Предыдущим рекордом расстояния для спектроскопически подтвержденной сверхновой типа Ia было красное смещение 1,95, когда Вселенной было 3,4 миллиарда лет.

Ученые стремятся проанализировать сверхновые типа Ia на высоких красных смещениях, чтобы увидеть, имеют ли все они одинаковую внутреннюю яркость, независимо от расстояния. Это критически важно, потому что, если бы их яркость менялась в зависимости от красного смещения, они не были бы надежными маркерами для измерения скорости расширения Вселенной.

Пирель проанализировал эту сверхновую типа Ia, обнаруженную с красным смещением 2,9, чтобы определить, отличается ли ее собственная яркость от ожидаемой. Хотя это всего лишь первый подобный объект, результаты не указывают на то, что яркость типа Ia меняется с красным смещением. Необходимо больше данных, но на данный момент основанные на сверхновых типа Ia теории о скорости расширения Вселенной и ее окончательной судьбе остаются неизменными. Пирель также представил свои выводы на 244-м заседании Американского астрономического общества.

Взгляд в будущее

Ранняя Вселенная была совсем другим местом с экстремальными условиями. Ученые ожидают увидеть древние сверхновые, исходящие от звезд, которые содержат гораздо меньше тяжелых химических элементов, чем такие звезды, как наше Солнце. Сравнение этих сверхновых со сверхновыми в локальной вселенной поможет астрофизикам понять механизмы звездообразования и взрыва сверхновых в эти ранние времена.

«По сути, мы открываем новое окно в переходную вселенную», — сказал научный сотрудник STScI Мэтью Зиберт, возглавляющий спектроскопический анализ сверхновых JADES. «Исторически сложилось так, что всякий раз, когда мы это делали, мы обнаруживали чрезвычайно интересные вещи — вещи, которых мы не ожидали».

«Поскольку Уэбб настолько чувствителен, он находит сверхновые и другие транзиенты почти везде, куда бы он ни направил», — сказал член команды JADES Эйичи Эгами, профессор-исследователь в Университете Аризоны в Тусоне. «Это первый значительный шаг на пути к более обширным исследованиям сверхновых с участием Уэбба».

Источник: Space Telescope Science Institute