Астрономы обнаружили загадочный сигнал, исходящий из пустого космоса

Фото из открытых источников

В созвездии Печи на южном полушарии неба находится крошечный клочок неба, ничем не отличающийся от других. Возможно, ваши глаза сотни раз мельком промелькнули мимо него, даже не обратив на него внимания.

Однако эта ничем не примечательная точка в космосе является одной из наиболее хорошо каталогизированных на небе. Космический телескоп «Хаббл» наблюдал за ней более 270 часов, чтобы получить знаменитое сверхглубокое поле (HUDF), — и в нем содержится почти 10 000 галактик, простирающихся на миллиарды световых лет во Вселенную.

Когда был запущен космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), было вполне естественно, что его золотые зеркала обратились к тому же региону космоса, используя его гораздо более чувствительные инфракрасные возможности, чтобы обнаружить то, что мог пропустить «Хаббл».

Теперь стало известно, что участок космоса, который астрономы изучали десятилетиями, может еще таить в себе некоторые сюрпризы. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

В крошечном уголке крошечного поля зрения телескоп JWST зафиксировал странный сигнал — не один, а два раза, в ходе наблюдений с интервалом почти в три месяца.

Есть только одна проблема. Во всех остальных предыдущих наблюдениях, проведенных как с помощью JWST, так и с помощью телескопа «Хаббл», там абсолютно ничего не обнаружено.

Это не значит, что там ничего нет – возможно, там есть что-то слишком тусклое, чтобы это обнаружить, что на короткое время вызвало мощную вспышку, – но это делает этот сигнал загадкой, которая на данный момент не имеет удовлетворительного объяснения.

Однако, чтобы понять, почему этот сигнал так странен, сначала нужно немного больше узнать о том, как астрономы изучают Вселенную.

Когда вы смотрите в оптический телескоп, вы видите изображение, сформированное из света, собранного его зеркалом. Примерно то же самое вы видите, когда смотрите на HUDF — композицию изображений, полученных через различные фильтры, каждый из которых захватывает определенный диапазон длин волн.

Но некоторые телескопы также могут разделять свет на разные длины волн — вспомните, как призма может разделить белый свет на радугу, но в гораздо более мелком масштабе.

Это позволяет выявить особенности света, которые трудно различить на многоволновом изображении. Например, если собрать весь солнечный свет, он будет выглядеть белым; но если разделить его на спектр, можно увидеть темные линии в местах поглощения атомами солнечной атмосферы определенных длин волн.

Другие объекты, напротив, создают яркие линии, в которых атомы или молекулы излучают энергию в виде света на определенных длинах волн. Эти линии называются эмиссионными линиями.

Астрономы используют метод, называемый спектроскопией, для обнаружения этих линий поглощения и излучения — остроумный способ определения химического состава и других свойств астрофизических объектов.

Астрофизик Мейсон Хуберти из Университета Миннесоты и его коллеги решили попробовать что-то немного другое.

Вместо того чтобы использовать спектроскопию для изучения уже известных объектов, они хотели выяснить, можно ли использовать ближнеинфракрасный спектрограф (NIRSpec) телескопа JWST в качестве инструмента для поиска объектов, которые еще не были обнаружены.

Обычно астрономы выбирают известные объекты из существующих наблюдений, а затем располагают крошечные затворы прибора таким образом, чтобы свет от выбранного объекта попадал в спектрограф. Это действительно полезная методика, но с одним ограничением – она основана на предварительном знании местоположения объекта.

Хуберти и его команда поступили, по сути, совершенно противоположным образом.

Они открыли почти все ставни, закрыв только те, которые закрывали известные объекты переднего плана, идентифицированные в предыдущих наблюдениях телескопа «Хаббл», свет от которых мог загрязнить спектры, которые они хотели получить.

Затем они разделили собранный свет на спектры и проанализировали полученные данные на наличие эмиссионных линий.

И они сделали это дважды — в два периода наблюдения, с интервалом в 88 дней, в августе и ноябре 2023 года, и, что особенно важно, под разными углами наблюдения. Это помогло бы устранить артефакты и сбои.

Целью было обнаружение слабых, далёких объектов, которые могли быть пропущены при обычных наблюдениях, с использованием метода, называемого многообъектной коронографией для бесщелевой спектроскопии (MOCSS).

HUDF представлял собой идеальную площадку для испытаний, поскольку обширная база существующих наблюдений позволила исследователям проверить свои результаты на известных галактиках.

И это сработало. В итоге, шесть объектов, прошедших строгие критерии обнаружения, удалось сопоставить с далекими галактиками в HUDF.

Проблема заключалась в седьмом обнаружении.

Это была одна яркая линия, которая появилась в обоих наблюдениях в ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны около 1,6 микрометра. Само по себе это не так уж и странно; излучение в ближнем инфракрасном диапазоне — это совершенно нормальное явление.

Именно изоляция и стала причиной драматизма. Никакой другой эмиссионной линии, сопровождающей это явление, не наблюдалось, а в предыдущих наблюдениях с помощью телескопов «Хаббл» и «JWST» в этом участке космического пространства больше ничего не было видно.

Это нельзя легко объяснить просто сбоем. Оно наблюдалось во всех четырех наборах объединенных снимков, при обеих ориентациях наблюдения, с интервалом в 88 дней, и измерения были согласованы.

А вот что самое интересное. Эмиссионная линия была достаточно яркой, чтобы её можно было увидеть на более ранних снимках, полученных с помощью телескопа JWST.

Если бы это явление наблюдалось во время обзора JADES, проведенного телескопом JWST в октябре 2022 года, телескоп никак не смог бы его пропустить.

Это наводит на мысль, что, возможно, тогда этого не было.

Но идентифицировать всего одну линию очень сложно, если точно не знаешь, на каком расстоянии она находится. Это потому, что по мере расширения пространства свет растягивается, приобретая всё более красные длины волн.

Таким образом, инфракрасный фотон может быть энергичным светом, исходящим из очень далекого места, или менее энергичным светом, исходящим из гораздо более близкого места; для определения того, какой это тип света и как он был получен, требуется больше информации, чем просто длина волны.

Существует несколько различных причин, которые могли привести к появлению этой линии выбросов, — четыре основных подозреваемых, ни одна из которых не соответствует действительности.

Галактика в ранней Вселенной — первая в этом ряду, и у неё есть две основные проблемы: эта эмиссионная линия с трудом проходила бы через нейтральный водород, заполнявший раннюю Вселенную, и она должна была бы быть видна в наблюдениях JADES.

Виновником также может быть более молодая галактика, но – помимо проблемы с JADES – у нее должны быть и другие эмиссионные линии, а не только одна.

Это могла быть сверхновая, но, опять же, она должна была бы произвести еще одну эмиссионную линию, которая не была обнаружена.

И наконец, черная дыра, разрывающая звезду, может создавать сильную эмиссионную линию, даже без значительного количества другого обнаруживаемого света. Но доказательств недостаточно, чтобы подтвердить, что именно это и произошло.

Это значит, что остается сделать только одно.

«Этот объект крайне необычен и позволяет исследовать экстремальные физические условия», — пишут исследователи. «Для подтверждения красного смещения и определения физического происхождения излучения необходимы дальнейшие наблюдения. Более глубокая и чувствительная спектроскопия могла бы выявить дополнительные эмиссионные линии и окончательно установить красное смещение и природу источника».