Космический крест из другой эпохи: открытие, которое ломает теории

Астрономы обнаружили редкое гравитационное линзирование, известное как «Крест Эйнштейна», которое раскрыло молодую галактику с шокирующе зрелыми звёздами.

Галактика, о которой идёт речь, — J1453g, эллиптическая галактика, ставшая первой гравитационной линзой на большом космическом расстоянии, которую астрономы смогли точно «взвесить». J1453g искривляет свет от более далёкого квазара — области космоса, где доминирует активно поглощающая материю сверхмассивная чёрная дыра, — усиливая его и заставляя появляться многократно на одном изображении в форме креста.

Галактика видна такой, какой она была около 8 миллиардов лет назад, когда Вселенной было менее 6 миллиардов лет. Однако, несмотря на то, что это «первобытная галактика» на ранних стадиях развития, J1453g удивительно похожа на Млечный Путь, нашу «зрелую» родную галактику. Это показывает нам, что рост и эволюция галактик могут быть гораздо сложнее, чем предполагалось ранее.

«Открытие этого исключительного объекта позволило нам точно изучить природу звёзд в центре эллиптической галактики в далёкую эпоху Вселенной, когда галактика была ещё молодой», — говорится в заявлении руководителя группы Кирино Дамато, исследователя из Итальянского национального института астрофизики (INAF). «Тот факт, что их состав очень похож на то, что мы сегодня видим в Млечном Пути, в совершенно другой среде и эпохе, удивителен.

«Это говорит нам о том, что мы всё ещё далеки от полного понимания процессов формирования и эволюции галактик, и представляет собой важный момент для разработки будущих моделей».

Что такое гравитационное линзирование?

Это исследование было бы невозможным без причуды космоса, впервые постулированной Альбертом Эйнштейном в его главном труде 1915 года — общей теории относительности.

Общая теория относительности предполагает, что объекты с массой создают искривление в самой ткани пространства и времени, объединённых в четырёхмерную сущность, называемую «пространство-время». Чем больше масса объекта, тем сильнее искривление, и эти искривления пространства-времени мы ощущаем как гравитацию. Таким образом, чем больше масса объекта, тем больше его гравитационное влияние.

И когда свет проходит через искривления пространства-времени, происходит нечто увлекательное. Обычно прямой путь света изгибается вдоль искривления, причём степень искривления зависит от того, насколько близко к массивному объекту проходит свет.

Это означает, что когда массивный объект оказывается между Землёй и более далёким объектом, свет от этого фонового объекта может достигать наших телескопов в разное время. Эти промежуточные тела могут увеличивать фоновые объекты, создавая «гравитационную линзу». Это явление, в частности, с большим успехом используется телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST) для наблюдения древних и далёких галактик.

Время от времени разница во времени прибытия света может привести к тому, что фоновый объект появляется на одном изображении несколько раз. Эти множественные проявления одного и того же тела могут образовывать круговые структуры — кольца Эйнштейна, а также более редкие кресты Эйнштейна.

В случае этого креста Эйнштейна гравитационной линзой выступает галактика J1453g, находящаяся в почти идеальном выравнивании с Землёй и далёким квазаром — активной областью в центре галактики, питаемой сверхмассивной чёрной дырой.

Гравитационное линзирование полезно не только для наблюдения объектов, обычно находящихся за пределами нашей видимости; эффект линзирования также может многое рассказать учёным о самом теле, создающем линзу. В данном случае команда смогла использовать крестообразные проявления квазара, чтобы с беспрецедентной точностью определить распределение массы звёзд в J1453g. Это выявило нечто, что противоречит современным моделям.

Учёные обычно ожидают, что центральные балджи (утолщения) эллиптических галактик формируются быстро и поэтому в них доминируют маломассивные звёзды. Однако оказывается, что J1453g имеет конфигурацию, подобную Млечному Пути (который является спиральной галактикой с перемычкой), что означает, что некоторые эллиптические галактики могут формироваться медленнее, имея в центре более массивные звёзды. Другая возможность заключается в том, что J1453g была трансформирована на раннем этапе своей истории в результате бурного события, такого как столкновение и слияние с другой галактикой.

Таким образом, результаты команды представляют собой не только одно из самых надёжных измерений рождения звёзд во «вселенском подростковом возрасте», но и открывают новое окно в формирование и эволюцию массивных космических структур. Это исследование предполагает более динамичную и сложную историю галактик, чем считалось возможным ранее.

Открытие команды Кирино Дамато поднимает фундаментальный вопрос: а правильно ли мы понимаем «возраст» галактик? До сих пор считалось, что эллиптические галактики, подобные J1453g, являются «стариками» космоса, быстро исчерпывающими свой звёздный материал. Но находка зрелых звёзд в столь юной, по космическим меркам, галактике переворачивает эту логику.

«Представьте себе подростка с жизненным опытом пенсионера, — образно поясняет соавтор исследования Марко Кьярити из Университета Болоньи. — Именно такое противоречие мы видим в J1453g. Ей всего несколько миллиардов лет, а её звёздное население напоминает гораздо более древние системы».

Учёные теперь планируют найти другие подобные «кресты Эйнштейна», чтобы проверить, является ли J1453g уникальным исключением или же примером нового, ранее упущенного из виду класса галактик. Если последнее окажется верным, школьные учебники по астрономии придётся переписывать: история формирования звёзд во Вселенной может оказаться не линейной, а гораздо более причудливой, с «возрастными аномалиями» в самых неожиданных местах.

Исследование опубликовано в четверг (2 апреля) в журнале Nature Astronomy.