Сокровищница невидимых звезд за пределами «Драконьей арки»

В скоплении галактик Abell 370, расположенном на расстоянии почти 4 миллиардов световых лет от Земли, есть несколько светящихся дуг, в том числе «Дуга Дракона» (слева внизу от центра). Эти дуги вызваны гравитационным линзированием: свет от далеких галактик, расположенных далеко за массивным скоплением галактик, приближающийся к Земле, изгибается вокруг Abell 370 под действием его огромной силы тяжести, что приводит к искажению изображений. Автор: NASA

Смотреть на половину обозримой Вселенной и ожидать увидеть отдельные звезды в астрономии считается бесполезным занятием, это все равно, что смотреть в бинокль на Луну в надежде разглядеть отдельные пылинки внутри ее кратеров. Однако благодаря космической причуде природы международная команда астрономов сделала именно это.

Используя космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА (JWST), научный сотрудник Фенгу Сан из астрофизического центра Гарварда и Смитсоновского института (CfA) и его команда наблюдали галактику на расстоянии почти 6,5 миллиардов световых лет от Земли в то время, когда возраст Вселенной был вдвое меньше, чем сейчас. В этой далекой галактике команда ученых идентифицировала 44 отдельные звезды, которые стали видимыми благодаря эффекту, известному как гравитационное линзирование, и высокой способности JWST собирать свет.

Это открытие, опубликованное в журнале Nature Astronomy, знаменует собой рекордное достижение - обнаружение самого большого числа отдельных звезд в отдаленной Вселенной. Это также дает возможность исследовать одну из величайших загадок Вселенной — темную материю.

"Это новаторское открытие впервые демонстрирует, что возможно изучение большого количества отдельных звезд в далекой галактике", - сказал Сан, соавтор исследования.

«В то время как предыдущие исследования с помощью космического телескопа»Хаббл" обнаружили около семи звезд, теперь у нас есть возможность разглядеть звезды, которые ранее были за пределами наших возможностей. Важно отметить, что наблюдение за большим количеством отдельных звезд также поможет нам лучше понять темную материю в плоскости линзирования этих галактик и звезд, чего мы не могли сделать, имея в виду лишь горстку отдельных звезд, наблюдавшихся ранее".

Массивное, но невидимое гало темной материи скопления галактик работает как «макролинза», в то время как одинокие, несвязанные звезды, дрейфующие по скоплению, действуют как дополнительные «микролинзы», увеличивая коэффициент увеличения.  Автор: Есинобу Фудамото

Исследовательская группа тщательно проанализировала цвета каждой из звезд внутри дуги Дракона и обнаружила, что многие из них являются красными сверхгигантами, подобными Бетельгейзе в созвездии Ориона, которая находится на завершающей стадии своей жизни. Это контрастирует с более ранними открытиями, которые в основном выявляли голубые «сверхгиганты», подобные Ригелю и Денебу, которые являются одними из самых ярких звезд на ночном небе.

По мнению исследователей, это различие в типах звезд также подчеркивает уникальную мощь наблюдений JWST в инфракрасном диапазоне длин волн, которые могут выявлять звезды при более низких температурах.

"Когда мы обнаружили эти отдельные звезды, мы на самом деле искали галактику на заднем плане, которая была бы увеличена линзами галактик в этом массивном скоплении", - сказал Сан. "Но когда мы обработали данные, мы поняли, что там было много отдельных звездных точек. Это была захватывающая находка, потому что мы впервые смогли увидеть так много отдельных звезд на таком большом расстоянии".

На этом детально увеличенном снимке Abell 370, сделанном телескопом «Хаббл», галактика, в которой были обнаружены 44 звезды, появляется несколько раз: на обычном изображении (слева) и на искаженном изображении, представляющем собой вытянутое пятно света.  Автор: НАСА

Компания Sun, в частности, с нетерпением ожидает следующей возможности изучить эти красные сверхгиганты.

"Мы знаем больше о красных сверхгигантах в окрестностях нашей галактики, потому что они находятся ближе, и мы можем получать более качественные изображения и спектры, а иногда даже различать звезды. Мы можем использовать знания, полученные при изучении красных сверхгигантов в локальной Вселенной, для интерпретации того, что происходит с ними в столь раннюю эпоху формирования галактик, в будущих исследованиях".

Большинство галактик, включая Млечный Путь, содержат десятки миллиардов звезд. В близлежащих галактиках, таких как галактика Андромеды, астрономы могут наблюдать звезды одну за другой. Однако в галактиках, удаленных от нас на миллиарды световых лет, звезды кажутся смешанными, поскольку их свету необходимо пройти миллиарды световых лет, прежде чем он достигнет нас, что представляет собой давнюю проблему для ученых, изучающих формирование и эволюцию галактик.

"Для нас галактики, которые находятся очень далеко, обычно выглядят как размытые, нечеткие сгустки", - сказал ведущий автор исследования Йошинобу Фудамото, доцент Университета Тиба в Японии. "Но на самом деле эти сгустки состоят из множества отдельных звезд. Мы просто не можем рассмотреть 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 и предсказывал Альберт Эйнштейн, гравитационные линзы могут усиливать свет далеких звезд в сотни и даже тысячи раз, что позволяет обнаруживать их с помощью таких чувствительных приборов, как JWST.

«Обычно эти данные ограничивались одной или двумя звездами на галактику», - сказал Фудамото. "Чтобы изучить звездные популяции статистически значимым образом, нам нужно гораздо больше наблюдений за отдельными звездами".

Ожидается, что будущие наблюдения JWST позволят зафиксировать больше звезд в галактике Dragon Arc в увеличенном виде. Эти усилия могут привести к детальному изучению сотен звезд в отдаленных галактиках. Более того, наблюдения за отдельными звездами могли бы дать представление о структуре гравитационных линз и даже пролить свет на неуловимую природу темной материи.

Дополнительная информация: Йошинобу Фудамото и др., Идентификация более 40 гравитационно увеличенных звезд в галактике с красным смещением 0,725, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-024-02432-3

Источник: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics