На границе галактики
Самые далёкие космические объекты расположены так далеко от Земли, что даже световые годы являются смехотворно малым мерилом их удалённости. Например, самоё близкое к нам космическое тело – Луна расположено всего в 1,28 световых секунды от нас. Как же представить себе расстояния, которые световой испульс не в силах преодолеть за сотни тысяч лет? Существует мнение, что измерять такое колоссальное пространство классическими величинами некорректно, с другой стороны других у нас нет.
Самая далёкая звезда нашей Галактики расположена в направлении созвездия Весов и удалена от Земли на расстояние, которое может преодолеть свет за 400 тыс. лет. Ясно, что эта звезда находится у пограничной черты, в так называемой зоне галактического гало. Ведь расстояние до этой звезды примерно в 4 раза превышает диаметр воображаемых просторов нашей Галактики. (Диаметр Млечного Пути оценивается примерно в 100 тыс. световых лет.)
За пределами галактики
Удивительно, что самую далекую, довольно-таки яркую звезду открыли только в наше время, хотя ее наблюдали и ранее. По непонятным соображениям астрономы не обратили особого внимания на слабо светящееся пятнышко на звездном небосклоне и различающееся на фотопластинке. Что же получается? Люди видят звезду в течение четверти века и... не замечают ее. Совсем недавно американскими астрономами из обсерватории имени Лоуэлла была открыта еще одна из наиболее отдаленных звезд в периферийных пределах нашей Галактики.
Эту звезду, уже потускневшую от «старости», можно поискать на небосклоне в расположении созвездия Девы, на расстоянии примерно 160 тыс. световых лет. Подобные открытия в темных (в прямом и переносном смысле слова) участках Млечного Пути позволяют внести важные корректировки при определении истинных значений массы и размеров нашей звездной системы в сторону их значительного увеличения.
Однако, даже самые далёкие звёзды в нашей галактике расположены относительно близко. Самые далёкие из известных науке квазаров расположены более чем в 30 раз дальше.
Кваза́р (англ. quasar - сокращение от QUASi stellAR radio source - «квазизвёздный радиоисточник») представляет собой класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» - звёзд.
Не так давно американские астрономы обнаружили три квазара, относящиеся к числу самых "старых" известных науке объектов во Вселенной. Их удаленность от нашей планеты составляет более 13 миллиардов световых лет. Расстояния до далеких космических образований определяются с помощью так называемого "красного смещения" – сдвига в спектре излучения быстро движущихся объектов. Чем дальше они находятся от Земли, тем быстрее, в соответствии с современными космологическими теориями, они удаляются от нашей планеты. Предыдущий рекорд дальности был зафиксирован в 2001 году. Красное смещение обнаруженного тогда квазара оценивалось величиной 6.28. Нынешняя троица имеет смещения 6.4, 6.2 и 6.1.
Темное прошлое
Открытые квазары всего на 5 процентов "моложе" Вселенной. Что было до них, сразу после Большого Взрыва – зафиксировать сложно: водород, образовавшийся через 300 000 лет после взрыва, блокирует излучение самых ранних космических объектов. Только рост числа звезд и последовавшая ионизация водородных облаков позволяет разорвать завесу над нашим "темным прошлым".
Для получения и проверки подобной информации требуется совместная работа нескольких мощных телескопов. Ключевая роль в этом деле принадлежит космическому телескопу Хаббл и цифровому телескопу Слоан, расположенному в обсерватории Нью-Мексико.
Когда вы смотрите на небо тёмной ночью при ясной погоде, вы видите множество звёзд. Однако практически все они находятся в нашей галактике, Млечном пути. Даже самые далёкие из тех, что вы можете разглядеть без телескопа, находятся на расстоянии меньше двадцати тысяч световых лет от Земли. Может показаться, что это гигантская дистанция, но космос гораздо больше непосредственных наших окрестностей. Он действительно огромен, и именно поэтому учёным невероятно трудно изучать звёзды, находящиеся за пределами нашей галактики. Самое далёкое светило, которое удалось изолировать от окружающего её постороннего свечения, находится на расстоянии всего 55 миллионов световых лет от нас.
Научные достижения
Однако если астрономы ни в чём не ошибаются, недавно этот рекорд был побит. Согласно статье, опубликованной в марте этого года в журнале «Nature Astronomy», он был разбит в пух и прах, сметён и растоптан. Он перешёл к звезде, которая находится от нас, вдумайтесь только, в 14 миллиардах световых годах! Надо отметить, что астрономам нередко удаётся разглядеть удалённые от нашей планеты объекты. С помощью телескопов они могут видеть самые яркие сверхновые в 10 миллиардах световых годах от нас. Однако обычные звёзды невозможно рассмотреть даже на расстоянии, в сотни раз меньшем. И вот тут мы в первый раз упоминаем про «гравитационное линзирование».
Это явление происходит в тех случаях, когда огромная масса, имеющаяся у галактики или даже скопления галактик, искривляет, искажает и усиливает свет, источник которого находится за ней. Этот феномен возможен благодаря тому, что подобные объекты фактически искривляют само пространство вокруг себя. Галактики, создающие эффект гравитационного линзирования, «усиливают» яркость в среднем в 50 раз.
Далекие Звезды
Та звезда, о которой сегодня идёт речь, находится за скоплением галактик, находящимся в 6 миллиардах световых годах от нас, и её свет был усилен более чем в 2000 раз! В научных каталогах она значится как MACS J1149 Lensed Star 1. Однако учёные, обнаружившие её, дали ей и неофициальное название — Икар. Спасибо им за это большое, нам тоже так гораздо удобнее.
Икар был замечен, можно сказать, совершенно случайно, когда исследователи рассматривали снимки сверхновой, сделанные космическим телескопом «Хаббл» в 2016 и 2017 годах. Недалеко от неё они заметили небольшое яркое пятнышко. Оно со временем меняло яркость, но совсем не так, как это делают сверхновые. Цветовая гамма света, идущего от этого объекта, оставалась неизменной в течение многих месяцев. Дальнейший анализ показал, что мы имеем дело с голубым сверхгигантом.
Эти звёзды гораздо крупнее, массивнее, горячее Солнца и в сотни тысяч раз ярче его. Это такое небольшое напоминание о том, что любое явление в космосе может иметь поистине космические масштабы. Все голубые сверхгиганты обладают схожими характеристиками, поэтому, сравнив свет Икара со светом таких же объектов нашей галактики, астрономы смогли рассчитать расстояние до него. Выяснилось, что звезда имеет возраст 9 миллиардов лет, а связи с тем, что Вселенная расширяется, сейчас до этого светила вообще 14 миллиардов световых лет.
Как же Икару удалось увеличить своё изображение в 2000 раз, если обычное значение гравитационного линзирования составляет всего 50? Ответ — микролинзы. Это небольшие объекты, находящиеся внутри крупных линз. Это могут быть отдельные звёзды, обеспечивающие дополнительное приближение «картинки». Линзы внутри линз. Этот эффект длится сравнительно недолго, потому что микролинзы постоянно сходят с нужной позиции и вновь возвращаются на неё. Однако если мы внимательно следим за происходящим, перед нами открываются огромные возможности. С помощью микролинзирования учёным удалось найти даже планеты за пределами Млечного пути!
Самая далекая звезда
Икар, кстати, может быть полезен не только как обладатель рекорда, занесённый в соответствующую книгу. Изучая то, как действует на него с течением времени эффект приближения, астрономы надеются составить точную модель распределения материи в «линзирующем» скоплении галактик. Это, вероятно, включает в себя и тёмную материю, которую мы всё никак не можем найти, рассмотреть и пощупать, но которая оказывает гравитационное воздействие на прочие космические объекты. Таким образом, Икар может помочь нам значительно увеличить объём своих знаний о Вселенной. Что ж, его древнегреческий тёзка тоже был весьма положительным персонажем, хоть рекордсменом так и не стал, как ни старался. Надеемся, что и наш Икар не посрамит славного имени.
И другие планеты. Разглядывая небо, они смогли установить, что Луна, двигаясь по небосводу, загораживает то одну, то другую звезду, но сами звезды никогда не бывает перед . Иногда и планеты загораживают звезды. Это говорит о том, что звезды расположены дальше планет.
Но как дальше? еще тогда указал, что звезды находятся очень далеко от Земли и поэтому смещения положений звезд мы не в силах заметить. Но они обязательно должны быть в силу движения Земли вместе со звездами в мировом пространстве.
Такие движения звезд астрономам не удалось увидеть спустя примерно три века после . Хотя в тот период были достигнуты большие успехи в изобретениях инструментов для наблюдения за небом, а также в точности наблюдений. В середине XVIII в. известные ученые Брадлей (в Англии) и Ламберт (в Германии) установили, что расстояния до самых близких к нам звезд во много раз превышают расстояния от Земли до . Но точно узнать расстояния до звезд им так и не удалось.
Впервые в истории науки В. Я. Струве измерил . Он много раз измерял положения Веги и пришел к выводу, что Вега смещается за полгода на угол около 1/4 секунды дуги. Под столь малым углом с Веги должен быть виден диаметр земной орбиты - иначе говоря, двойное расстояния от Земли до Солнца, а само это расстояние - под углом 1/8 секунды дуги.
Известно, что круг делится на 360 градусов по 60 угловых минут в каждом градусе, каждая минута - на 60 секунд. Значит, в круге 1 296 000 угловых секунд.
Если радиус земной орбиты с Веги под углом около 1/8 доли секунды, или около 1/10000000 доли окружности (астрономы называют этот угол параллаксом данной звезды),- значит, расстояние до этой звезды составляет почти 250 триллионов километров.
Такие числа использовать, естественно, неудобно. Обычно в таких случаях астрономы используют более крупные единицы длины. Например световой год . Так коротко обозначается расстояние, которое световой луч проходит за период, равный земному году со скоростью около 300 000 км/сек. Световой год - это примерно 9,5 триллионов километров. Коротко его можно записать так: 9,5 х 10 в 12 степени км.
Астрономы пользуются также другой системой измерения расстояний до звезд. Если окружность содержит 1296000 угловых секунд, то радиан равен 206 265 угловых секунд (57°,3). Если бы радиус орбиты Земли был виден с какого-то небесного тела под углом в 1 секунду окружности, то это говорило бы о том, что расстояние до такого тела в 206 265 раз больше радиуса орбиты Земли, и равно примерно 31 триллион км или 374 световой год. Такая величина называется параллакс-секунда или парсек .
Вега находится от нас на расстоянии 8 парсек, или 26,5 светового года. Чтобы пролететь такое расстояние, самолету ТУ-154 понадобилось бы сорок миллионов лет.
Вега действительно одна из сравнительно близких к нам звезд, но не самая близкая. Из ярких звезд самой близкой к нам является звезда альфа в созвездии Центавра, невидимая с территории России. Ее можно видеть в южных странах. Свет от нее идет до нас 4,3 года.
К настоящему времени таким способом установлены расстояния до многих тысяч звезд.
Но при всей точности, которой достигли астрономы в измерении звездных параллаксов, этот способ применим только для определения расстояний до сравнительно близких звезд. Для далеких звезд, отстоящих от нас на сотни, тысячи и десятки тысяч световых лет, он не годится: углы оказываются настолько ничтожно малыми (сотые и тысячные доли секунды), что не поддаются измерению. Астрономы нашли и другие вполне достоверные способы для измерения расстояний более далеких звезд. В результате теперь известны точные расстояния до десятков тысяч отдельных звезд, а до еще большего числа звезд расстояние можно оценить приближенно.
Если звезды можно видеть с невообразимо больших расстояний, - значит, они должны иметь огромную силу света (светимость). Звезды - это очень далекие от нас солнца. Некоторые из них излучают света гораздо больше, чем наше огромное
Представляя себе далекие звезды, мы обычно думаем о расстояниях в десятки, сотни или тысячи световых лет. Все эти светила принадлежат к нашей Галактике - Млечному Пути. Современные телескопы способны разрешить звезды в ближайших галактиках - расстояние до них может достигать десятков миллионов световых лет. Но насколько далеко простираются возможности наблюдательной техники, особенно когда ей помогает природа? Недавнее удивительное открытие Икара - самой далекой звезды во Вселенной из числа известных на сегодняшний день - свидетельствует о возможности наблюдения чрезвычайно удаленных космических феноменов.
Помощь природы
Существует явление, благодаря которому астрономам может быть доступно наблюдение наиболее дальних объектов Вселенной. Называется оно является одним из следствий общей теории относительности и связано с отклонением светового луча в поле гравитации.
Эффект линзирования заключается в том, что если между наблюдателем и источником света на луче зрения располагается какой-либо массивный объект, то , искривляясь в его гравитационном поле, создают искаженное или множественное изображение источника. Строго говоря, лучи отклоняются в поле тяготения любого тела, но наиболее заметный эффект дают, конечно, самые массивные образования во Вселенной - скопления галактик.
В случаях, когда в качестве линзы выступает малое космическое тело, например одиночная звезда, визуальное искажение источника практически невозможно зафиксировать, но яркость его может существенно возрасти. Такое событие называют микролинзированием. В истории открытия самой далекой от Земли звезды сыграли роль оба типа гравитационного линзирования.
Как произошло открытие
Обнаружению Икара способствовала счастливая случайность. Астрономы вели наблюдение одного из удаленных MACS J1149.5+2223, находящегося приблизительно в пяти миллиардах световых лет от нас. Оно интересно как гравитационная линза, благодаря особой конфигурации которой световые лучи искривляются по-разному и проходят в итоге разные расстояния до наблюдателя. Вследствие этого отдельные элементы линзированного изображения источника света должны запаздывать.
В 2015 году астрономы ждали предсказанной в рамках данного эффекта повторной вспышки сверхновой Рефсдаль в очень далекой галактике, свет от которой достигает Земли за 9,34 миллиарда лет. Ожидаемое событие действительно произошло. Но на снимках 2016-2017 годов, полученных телескопом «Хаббл», помимо сверхновой, обнаружилось еще кое-что, не менее интересное, а именно изображение звезды, принадлежащей к той же удаленной галактике. По характеру блеска определили, что это - не сверхновая, не гамма-всплеск, а обычная звезда.
Увидеть отдельное светило на таком огромном расстоянии стало возможно благодаря событию микролинзирования в самой галактике. Случайным образом перед звездой прошел объект - скорее всего, другая звезда - с массой порядка солнечной. Сам он, конечно, остался невидимым, но его поле гравитации усилило блеск источника света. В сочетании с линзирующим эффектом кластера MACS J1149.5+2223 это явление дало усиление яркости самой далекой видимой звезды в 2000 раз!
Звезда по имени Икар
Новооткрытому светилу было присвоено официальное наименование MACS J1149.5+2223 LS1 (Lensed Star 1) и собственное имя - Икар. Предыдущий рекордсмен, носивший гордый титул самой далекой звезды, которую удалось наблюдать, расположен в сто раз ближе.
Икар чрезвычайно ярок и горяч. Это голубой сверхгигант спектрального класса В. Астрономам удалось определить основные характеристики звезды, такие как:
- масса - не менее 33 масс Солнца;
- светимость - превышает солнечную приблизительно в 850 000 раз;
- температура - от 11 до 14 тысяч кельвин;
- металличность (содержание химических элементов тяжелее гелия) - около 0,006 солнечной.
Судьба самой далекой звезды
Событие микролинзирования, позволившее увидеть Икар, произошло, как мы уже знаем, 9,34 миллиарда лет назад. Возраст Вселенной составлял тогда всего около 4,4 миллиарда лет. Снимок этой звезды - своего рода мелкомасштабный стоп-кадр той давней эпохи.
За время, в течение которого свет, испущенный 9 с лишним миллиардов лет назад, преодолел расстояние до Земли, космологическое расширение Вселенной отодвинуло галактику, в которой жила самая далекая звезда, до расстояния в 14,4 миллиарда световых лет.
Сам же Икар, согласно современным представлениям об эволюции звезд, давно прекратил существование, ведь чем массивнее звезда, тем короче должно быть время ее жизни. Не исключено, что часть вещества Икара послужила строительным материалом для новых светил и, вполне возможно, их планет.
Увидим ли мы его снова
Несмотря на то что случайный акт микролинзирования - очень кратковременное событие, ученые имеют шанс увидеть Икара снова, и даже с большей яркостью, поскольку в крупном линзирующем скоплении MACS J1149.5+2223 множество звезд должно находиться вблизи луча зрения Икар - Земля, и пересечь этот луч может любая из них. Разумеется, есть вероятность увидеть таким же образом и другие удаленные звезды.
А может быть, когда-нибудь астрономам повезет зафиксировать грандиозный взрыв - вспышку сверхновой, которой завершила свою жизнь самая далекая звезда.
Определение расстояния в астрономии зависит обычно от того, насколько далеко находится небесное тело. Некоторые методы можно применять лишь для относительно близких объектов, например, соседних с нами планет. Другие - для более удаленных, таких как звёзды или даже галактики. Однако эти способы, как правило, менее точны.
Как определить расстояние до объекта в космосе
Способ определения расстояния до соседних планет
В Солнечной системе это относительно просто: движение планет здесь рассчитывается по законам Кеплера, и можно вычислить удаленность близлежащих планет и астероидов с помощью радиолокационных измерений. Таким путём устанавливать расстояние весьма легко.
Внутри Солнечной системы действуют законы Кеплера
Как измеряют расстояние до звезд
Для относительно близких к нам звезд можно определять так называемый параллакс. При этом необходимо наблюдать, как изменяется положение звезды в результате обращения Земли вокруг нашего светила относительно звезд, гораздо более удаленных от нас. В зависимости от точности измерения возможно довольно точное и прямое определение расстояние.
Вычисление расстояний по параллаксу звезд
Если это не подходит, можно попытаться определить тип звезды по спектру, чтобы по истинной яркости сделать вывод об удаленности. Это уже косвенный метод, так как нужно делать о звезде определенные предположения.
Измерение расстояний по спектру звезд
Если невозможно применить и этот метод, то ученые пытаются обойтись"шкалой расстояний". При этом ищут звезды, яркость которых точно известна по наблюдениям в нашей Галактике. Такие объекты называются "стандартные свечи". Ими служат, например, звезды-цефеиды, чьи яркость периодически изменяется. Согласно теории, скорость этих изменений зависит от максимальной яркости звезды.
Вычисление расстояний по цефеидам
Если такие цефеиды обнаруживают в другой галактике и можно наблюдать, как меняется яркость звезды, то определяется её максимальная яркость, а затем расстояние от нас. Другим примером стандартной свечи служит определенный вид взрыва сверхновой, у которой, как считают астрономы, всегда одинаковая максимальная яркость.
Стандартной свечой может быть взрыв сверхновой
Тем не менее, даже этот метод имеет свои ограничения. Тогда астрономы используют красное смещение в спектрах галактик.
Увеличение длины волны света, исходящего из галактики, придает ему на спектре более красный цвет, названный красным смещением
Исходя из него, может быть рассчитана скорость удаления галактики, которая непосредственно связана - согласно закону Хаббла - с расстоянием до этой галактики от Земли.
