Одна из важнейших задач внегалактической астрономии состоит в том, чтобы дать ясную картину развития и эволюции Вселенной. Благодаря прогрессу в наблюдениях, в последние десятилетия ученые значительно продвинулись в этом направлении, и в общих чертах эта картина ясна. Однако еще много вопросов требуют своего разрешения. Один из таких вопросов: когда и с какой скоростью во Вселенной начали появляться тяжелые элементы?

Ясно, что до появления первых звезд во Вселенной существовали лишь три химических элемента: водород, гелий и литий. При этом литий вместе с изотопами водорода (дейтерием) и гелием составлял совершенно ничтожную часть образовавшегося вещества. Количество водорода и гелия разделилось в пропорции 3:1 по массе. Все остальные атомы, включая столь необходимые для жизнедеятельности углерод, кислород и азот, появились уже в недрах звезд во время ядерных реакций на последних стадиях их существования.

Первые массивные звезды, взрываясь сверхновыми, разбрасывали сдобренный тяжелыми элементами газ по галактике. Затем он входил в состав следующего поколения звезд, которые добавляли еще немного тяжелых химических элементов в межзвездную среду. В состав Солнца, как звезды третьего поколения, входит уже примерно 2% тяжелых элементов.

Отсюда можно сделать два вывода. Первый, очевидный: каждое новое поколение звезд в среднем должно иметь больше тяжелых элементов (показатель содержания химических элементов тяжелее гелия принято называть металличностью). Второй вывод: чем более далекие галактики мы изучаем, тем более бедными на тяжелые элементы они должны быть. В самом деле, из-за конечной скорости распространения света мы видим далекие галактики такими, какими они были миллиарды лет назад, когда тяжелых химических элементов было в целом меньше, чем сейчас.

 

Открытие европейских астрономов

В целом все сказанное выше подтверждается наблюдениями. Тем страннее выглядят исключения из этого правила. 2 ноября Европейская южная обсерватория выпустила специальный пресс-релиз, посвященный открытию двух молодых галактик в ранней Вселенной, которые оказались богаче тяжелыми химическими элементами, чем Солнце!

Но обо всем по порядку.

Для своих исследований международная группа астрономов применила нетривиальный метод. Они воспользовались короткой, но яркой вспышкой света от удаленного гамма-всплеска как зондом для изучения строения очень далеких галактик. Вспышка просветила насквозь находившиеся на ее пути галактики и таким образом помогла астрономам изучить их химический состав.

гамма-всплеск

Две галактики ранней Вселенной в изображении художника. Ярчайшая вспышка в одной из них — гамма-всплеск. Свет от вспышки пронзает обе галактики и устремляется к Земле, которой достигнет лишь через 12 миллиардов лет. Источник: ESO/L. Calçada

Гамма-всплески — самые мощные вспышки электромагнитного излучения во Вселенной. Природа их до конца не ясна, но известно, что они приходят к нам из ранней Вселенной, преодолевая расстояние в миллиарды световых лет.

Гамма-всплески были обнаружены в конце 60-х годов ХХ века космическими обсерваториями, которые следили за испытаниями ядерного оружия на Земле. Космические гамма-всплески обычно очень кратковременные явления. Что говорить, если всплески, длящиеся более двух секунд, называются длинными! Астрономы научились отождествлять точно местоположение гамма-всплесков на небе и обнаружили, что они имеют также более продолжительные во времени послесвечения в оптическом и инфракрасном диапазонах.

Теперь, обнаружив гамма-всплеск, астрономы имеют возможность исследовать его при помощи наземных телескопов. Один из таких всплесков, обозначенный GRB 090323, был впервые замечен космическим гамма-телескопом НАСА «Ферми». Вскоре после этого он был подхвачен зарегистрирован рентгеновским детектором на спутнике НАСА «Swift» и системой GROND на 2.2-м телескопе MPG/ESO в Чили. А уже через сутки он во всех деталях был исследован Очень Большим Телескопом (VLT) ESO.

Наблюдения на VLT показали, что яркий свет от гамма-всплеска прошел сквозь родительскую галактику и через другую галактику неподалеку. Мы наблюдаем эти галактики такими, какими они были около 12 миллиардов лет назад. Такие далекие галактики крайне редко освещаются гамма-всплесками.

Дальше все было делом техники. Когда свет от гамма-всплеска проходил сквозь галактики, газ внутри них вел себя как фильтр, и поглощал часть света от вспышки на определенных длинах волн. Без гамма-всплеска эти слабые галактики были бы вообще невидимы. Тщательно анализируя распределение химических элементов в спектрах этих галактик, группа астрономов с удивлением обнаружила, что в состав их холодного газа входит очень много тяжелых химических элементов.

спектр гамма-всплеска

Схематичное изображение оптических спектров собственно гамма-всплеска (слева внизу), его же, но прошедшего сквозь родительскую галактику (в центре) и сквозь соседнюю галактику (справа). Именно этот, последний спектр, богатый линиями поглощения тяжелых химических элементов, содержащихся в галактиках, изучали астрономы ESO. Источник: ESO/L. Calçada

 

Эволюция закончилась?

Откуда в столь молодых галактиках такое количество тяжелых элементов? Чем можно объяснить удивительный результат европейских астрономов? Ответ один: там с невероятной мощью и скоростью идут процессы звездообразования. Близость галактик как бы намекает на возможный процесс слияния, а это, в случае столкновения газовых облаков, как раз и ведет к интенсивному рождению звезд. Поддерживают эту точку зрения и гамма-всплески, вероятнее всего связанные с активным звездообразованием.

Возможно, в подобных галактиках столь энергичное звездообразование заканчивается еще на ранних стадиях развития Вселенной. Если это так, то сейчас, спустя двенадцать миллиардов лет, в таких проэволюционировавших галактиках должно быть огромное количество звездных останков — черных дыр и нейтронных звезд, а также остывших белых карликов. Это — «мертвые галактики», слабые тени того, чем они были в эпоху своей блестящей юности. Обнаружить их существование может оказаться нетривиальной задачей. Не они ли вносят существенный вклад в невидимую массу Вселенной?

«Нам просто очень повезло, что мы наблюдали GRB 090323, когда послесвечение всплеска было еще достаточно ярким и можно было провести детальные наблюдения с Очень Большим Телескопом, — говорит ведущий автор статьи, описывающей полученные результаты, Сандра Савальо (Sandra Savaglio) из Института им. Макса Планка, Гархинг, Германия. — 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 пронаблюдать эти галактики; они были бы прекрасной мишенью для E-ELT».

По материалам ESO.