Некоторые замечания

Гамма-всплески – самые яркие взрывы во Вселенной [1]. Впервые они были замечены орбитальными обсерваториями, которые регистрируют первоначальный краткий всплеск гамма-излучения. После того, как положение источника гамма-лучей на небе определено, он немедленно начинает исследоваться наземными телескопами, которые могут регистрировать видимое и инфракрасное послесвечение, испускаемое из точки вспышки в последующие за событием часы и дни. Один такой всплеск, обозначенный GRB 090323 [2], был впервые отмечен Космическим Гамма-телескопом NASA «Ферми». Очень скоро после этого он был зарегистрирован рентгеновским детектором на спутнике NASA «Swift» и системой GROND на 2.2-м телескопе MPG/ESO в Чили, а затем, всего через день после вспышки, изучен во всех деталях с Очень Большим Телескопом (VLT) ESO.

Наблюдения с VLT показывают, что ослепительная световая вспышка гамма-всплеска прошла сквозь свою родительскую галактику и еще одну галактику, расположенную недалеко от нее. Мы видим эти галактики такими, какими они были около 12 миллиардов лет назад [3]. Столь удаленные галактики очень редко освещаются сиянием гамма-всплесков.

“Когда мы изучали световое излучение от этого гамма-всплеска, мы не знали, что мы можем обнаружить. Для нас стало полной неожиданностью, что химический состав холодного газа в двух галактиках, принадлежащих ранней Вселенной, оказался таким необычным” – объясняет Сандра Савальо (Sandra Savaglio) из Института внеземной физики им. Макса Планка, Гархинг, Германия, ведущий автор статьи, описывающей полученные результаты. “В них больше тяжелых элементов, чем когда-либо наблюдалось в галактиках, находящихся на столь ранней фазе эволюции Вселенной. Мы не ожидали, что Вселенная окажется такой зрелой, такой химически развитой, такой рано сформировавшейся.”

Когда свет гамма-всплеска проходил сквозь галактики, газ внутри них действовал как фильтр, поглощая часть света на определенных длинах волн. Не будь гамма-всплеска, эти слабые галактики остались бы невидимыми. Тщательно анализируя предательские «улики», оставленные в спектре различными химическими элементами, ученые смогли вывести из них состав холодного газа в далеких галактиках, и в частности установить, насколько высоко там содержание тяжелых элементов.

Считается, что в галактиках, принадлежащих молодой Вселенной, содержится меньшее количество тяжелых элементов, чем в галактиках, находящихся на современной стадии развития, таких, как наш Млечный Путь. Тяжелые элементы образуются в процессе жизни и смерти многих поколений звезд, в ходе которого газ в галактиках постепенно этими элементами обогащается [4]. Поэтому астрономы могут использовать данные о химическом обогащении галактик тяжелыми элементами, чтобы судить о том, насколько далеко эти галактики прошли по пути своей эволюции. И вот новые наблюдения неожиданно показывают, что всего лишь через неполных два миллиарда лет после Большого Взрыва некоторые галактики уже очень богаты тяжелыми элементами! До сих пор такое невозможно было себе представить.

Чтобы холодный газ в новооткрытой паре молодых галактик обогащался тяжелыми элементами в таком количестве и с такой скоростью, там невероятно быстро должны образовываться новые звезды. Поскольку эти галактики расположены так близко друг от друга, они могут находиться в процессе слияния, а это, например, в случае столкновения газовых облаков, как раз и ведет к звездообразованию. С другой стороны, гамма-всплески также связываются с мощным и активным звездообразованием, и результаты данного исследования могут служить подтверждением этой идеи.

Возможно, в подобных галактиках столь энергичное звездообразование заканчивается еще на ранних стадиях развития Вселенной. Если это так, то спустя двенадцать миллиардов лет, в настоящую эпоху, в таких проэволюционировавших галактиках должно содержаться большое количество звездных останков, таких как черные дыры и холодные карлики. Эти “мертвые галактики”, слабые тени того, чем они были в эпоху своей блестящей юности, могут составлять население, обнаружить которое может оказаться очень трудной задачей.

“Нам просто очень повезло, что мы наблюдали GRB 090323, когда послесвечение всплеска было еще достаточно ярким, и можно было провести детальные наблюдения с VLT. Оптическое свечение гамма-всплесков гаснет быстро, и успеть получить качественные данные очень трудно. В будущем, когда у нас появятся гораздо более чувствительные инструменты, мы надеемся снова наблюдать эти галактики; они были бы прекрасной мишенью для E-ELT” – заключает Савальо.

Примечания

[1] Гамма-всплески, длящиеся более двух секунд, считаются длинными, остальные называются короткими. Длинные всплески, включая тот, с которым связана данная работа, ассоциируются с вспышками сверхновых, порождаемых массивными молодыми звездами в галактиках с активным звездообразованием. Природа коротких всплесков не вполне понятна -- считается, что они происходят при слиянии двух компактных объектов, таких, как нейтронные звезды.

[2] Обозначение соответствует дате обнаружения всплеска: в данном случае, он был зарегистрирован 23 марта 2009 г.

[3] Галактики наблюдались на красном смещении 3.57, что означает, что они видны такими, какими они были через 1.8 миллиардов лет после Большого Взрыва.

[4] Вещество, образовавшееся в результате Большого Взрыва 13.7 миллиардов лет назад, почти полностью состояло из водорода и гелия. Большинство тяжелых элементов, таких, как кислород, азот и углерод, образовалось позже в процессе термоядерных реакций внутри звезд и накапливалось в виде резервов газа в галактиках по мере того, как эти звезды умирали. Поэтому предполагается, что количество тяжелых элементов в большинстве галактик постепенно растет по мере старения Вселенной.

Узнать больше

Результаты исследования представлены в статье “Super-solar Metal Abundances in Two Galaxies at z ~ 3.57 revealed by the GRB 090323 Afterglow Spectrum”, которая будет опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Группа исследователей состоит из S. Savaglio (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching bei München, Germany [MPE]), A. Rau (MPE), J. Greiner (MPE), T. Krü̈hler (MPE; Technische Universitä̈t München, Garching, Germany [TUM]), S. McBreen (University College Dublin, Ireland; MPE), D. H. Hartmann (Clemson University, Clemson, USA), A. C. Updike (Clemson), R. Filgas (MPE), S. Klose (Thü̈ringer Landessternwarte Tautenburg, Germany), P. Afonso (MPE), C. Clemens (MPE), A. Küpcü̈ Yoldas (ESO, Garching, Germany), F. Olivares E. (MPE), V. Sudilovsky (MPE; TUM) и G. Szokoly (Eötvö̈s University, Budapest, Hungary).

Европейская Южная Обсерватория (ESO, the European Southern Observatory) -- ведущая межгосударственная астрономическая организация Европы и наиболее продуктивная астрономическая обсерватория в мире. Ее деятельность поддерживается усилиями ученых 15 стран: Австрии, Бельгии, Бразилии, Чешской республики, Дании, Франции, Финляндии, Германии, Италии, Нидерландов, Португалии, Испании, Швеции, Швейцарии и Соединенного Королевства. ESO проводит в жизнь масштабную программу проектирования, строительства и эксплуатации мощных наземных инструментов, позволяющих астрономам выполнять важнейшие научные исследования. Обсерватория также играет ведущую роль в инициировании и организации международного сотрудничества в астрономических исследованиях. ESO ведет работу в трех уникальных наблюдательных пунктах в Чили: Ла Силья, Параналь и Чахнантор. На горе Параналь, в самой совершенной в мире астрономической обсерватории для наблюдений в видимом свете, установлен Очень Большой Телескоп ESO (The Very Large Telescope, VLT), и два обзорных телескопа: VISTA, который работает в инфракрасной области и является крупнейшим в мире телескопом для выполнения обзоров неба, и обзорный телескоп VLT (VLT Survey Telescope) -- крупнейший инструмент, предназначенный для обзоров в видимой области спектра.  ESO – европейский партнер в революционном проекте телескопа ALMA, величайшего из существующих астрономических инструментов. Сейчас ESO планирует строительство Европейского Сверхкрупного Телескопа 40-метрового класса для оптического и ближнего ИК диапазона (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, E-ELT), который станет “самым большим в мире глазом, глядящим в небо”.