Карта пространственного расположения более 2 миллионов галактик на расстояниях до 11 миллиардов световых лет на основе обзора 2.5-метрового телескопа SDSS к 2020 году. Источник https://www.sdss.org/press-releases/no-need-to-mind-the-gap/
В прошлой части обзора шла речь о картографировании Вселенной с помощью измерений лучевых скоростей (красного смещения) галактик через их спектроскопию. Этот метод позволил определить пространственное положение миллионов галактик в наблюдаемой Вселенной на удалениях до нескольких миллиардов световых лет.
Метод красных смещений смог обнаружить, как самые древние сверхмассивные черные дыры во Вселенной, так и картографировать крупномасштабные структуры в ближней Вселенной.
Большинство сверхмассивных черных дыр находится в центре крупных галактик, в связи с этим вокруг них происходит мощная аккреция вещества с формированием полярных джетов. В результате подобных процессов галактики со сверхмассивной черной дырой становятся значительно ярче других галактик. Подобные галактики называют квазарами или квазизвездными объектами. По данным обзора SDSS их число составляет 100 тысяч. Красное смещение (расстояние) квазаров заключено между 0,045 (200 мегапарсек) для ближайшего квазара HZ46 до 7.5 у самого далекого (4 гигапарсек), видимый (абсолютный) блеск соответственно от 13 (-23) до 24 (-32) звездных величин (в среднем 19 (- 24)).
Предполагается, что активная фаза квазара длится 10-20 миллионов лет, в связи с этим, если крупная галактика приходится как одна на несколько кубических мегапарсеков, то яркий квазар как один на миллиард кубических мегапарсеков. При этом максимальная плотность квазаров наблюдается при z=2-3, здесь их плотность составляет один на миллион кубических мегапарсек. Благодаря высокой яркости квазары удерживали рекорды самых удаленных известных объектов во Вселенной в 1964-1997 годах (от 3C 147 с z=0.545 до PC 1247-3406 с z=4.897) и в 2001-2002 годах (SDSS 1044-0125 с z=5.82 и SDSS J1030+0524 с z=6.28). В 2011 году благодаря обзору UKIDSS был найден ещё более далекий квазар ULAS J1120+0641, который моложе Большого взрыва только на 770 миллионов лет (красное смещение равно 7.085). Оценка массы черной дыры этого квазара приблизилась к 2 миллиардам масс Солнца. В 2017 году этот рекорд самого далекого квазара был улучшен до возраста Вселенной в 690 миллионов световых лет (красное смещение 7.54). Новый квазар также был найден с помощью обзора UKIDSS, оценки массы сверхмассивной черной дыры составили около 800 миллионов масс нашего Солнца.
В нынешнем году был открыт квазар на сравнимой дистанции (z=7.515), но содержащий черную дыру массой уже в 1.5 миллиарда масс Солнца. Другим примером сверхмассивной черной дыры в ранней Вселенной стало обнаружение квазара SDSS J0100+2802 (z=6.3) с возрастом в 900 миллионов лет и массой в 12 миллиардов масс Солнца. Кроме того недавно в архиве наблюдательных программ космического телескопа Хаббла появилась заявка об обнаружение наиболее далекой радиогалактики с красным смещением в 10.15, которая предположительно также содержит сверхмассивную черную дыру. В дополнение проверка этого открытия осуществляется с помощью субмиллиметрового телескопа ALMA (по внеплановой программе 7 цикла).
Открытие подобных молодых сверхмассивных черных дыр привело к пересмотру скорости роста черных дыр в ранней Вселенной. Если ранее предполагалось, что подобные объекты формируются через коллапс первых звезд, то теперь считается, что объекты могут формироваться через коллапс водородных облаков. В связи с этим прогнозируется существование черных дыр массой в 10 тысяч масс Солнца в первые 100 миллионов лет жизни Вселенной.
С другой стороны каталогизация квазаров позволяет выявлять крупномасштабные структуры во Вселенной. Так в 2012 году была найдена структура из 73 квазаров с размером в 500-1400 мегапарсек (красное смещение 1.27). Структура занимает на небе больше 10 угловых градусов и значительно больше теоретического максимального размера войдов в 370 мегапарсек. По всей видимости, структура представляет собой гигантскую стену из сверхскоплений галактик. Пространственное положение группы квазаров в мегапарсеках:
Ещё одним примером стало обнаружение другой стены в районе Южного полюса, при анализе расположения 17 600 галактик с лучевыми скоростями меньше 30 тысяч км в секунду.
Кроме метода лучевых скоростей галактик существуют и другие методы изучения крупномасштабной структуры Вселенной. Один из ключевых из них является метод каталогизации гамма-всплесков. Раннее становление этой области можно прочитать в прошлом обзоре. Гамма-астрономия началась ещё в 40х годах 20 века с запусков баллистических ракет, но только к 1982 году удалось зарегистрировать излучение 25 точечных источников подобного излучения.
Большинство из них оказалось связано с нейтронными звездами и активными ядрами галактик. Одновременно с 1967 года начали открывать мощные гамма-всплески, которые первоначально связали с ядерными испытаниями. К началу 1974 года было обнаружено 42 подобных событий, к 1985 году 160 гамма-всплесков. Если в 1974 году распределение всплесков говорило скорее об их концентрации к галактической плоскости, то к 1985 году многократное увеличение статистики позволило говорить об их равномерном распределении на небе. К моменту запуска Великой обсерватории NASA имени Комптона в 1991 году, число зарегистрированных гамма-всплесков выросло до 300, но только для сотни из них было определено положение с достаточно высокой точностью. Новая орбитальная обсерватория зарегистрировала примерно 2700 новых гамма-всплесков, и с высокой точностью доказала их внегалактическое происхождение. К 2016 году число зарегистрированных гамма-всплесков приблизилось к 7 тысячам.
Космические миссии, которые регистрировали гамма-всплески последние 50 лет. Источник.
Гамма-всплески бывают примерно двух типов: короткие и длинные. Первые длятся несколько долей секунд, вторые могут продолжаться несколько минут. Предполагается, что первые из них вызваны полярными джетами событий слияния нейтронных звезд, а вторые связаны с процессами коллапса массивных звезд. Долгое время эти предположения были лишь одними из возможных гипотез, другие объяснения предполагали, что гамма-вспышки связаны с гало нашей галактики. То, что гамма-всплески происходят на космологических расстояниях впервые было установлено лишь в 1997 году через измерение красного смещения оптического послесвечения локализованного гамма-всплеска. С 2004 года число гамма-всплесков с измеренным красным смещением значительно выросло благодаря запуску спутника Swift:
Распределение гамма-всплесков с измеренным красным смещением к 2012 году. Источник
На схеме выше хорошо заметно, что до запуска Swift пик распределения красных смещений гамма-всплесков приходился на 1.4 (на основе наблюдений спутников BeppoSAX и HETE-2), а после на 2.1. Более того были обнаружены всплески с возрастом всего в 600 миллионов лет после Большого взрыва.
С другой стороны распределение гамма-всплесков по абсолютной светимости показало их существенное различие:
Предполагают, что тысячекратная разница абсолютной светимости гамма-всплесков связана с разными углами между центральной осью джета гамма-всплеска и направлением на земного наблюдателя. С другой стороны, короткие гамма-всплески наблюдаются на более коротких дистанциях, чем длинные гамма-всплески:
Весомое доказательство того, что короткие гамма-всплески вызваны слиянием нейтронных звезд было получено 17 августа 2017 года. В этот день три гравитационно-волновых антенны зарегистрировали первое достоверное слияние нейтронных звезд. Событие оказалось самым близким, самым четким и самым длительным из всех, которые регистрировали гравитационно-волновые детекторы за несколько лет работы:
Практически одновременно гамма-детекторы на двух спутниках зарегистрировали слабый гамма-всплеск из этого района:
Спустя несколько часов удалось обнаружить и оптическое послесвечение событие, которое оказалось похожим на другие оптические послесвечения гамма-всплесков (их часто называют килоновыми).
Регистрация первых гравитационных волн от слияния нейтронных звезд позволила впервые оценить, что подобные события происходят примерно раз в год в объеме Вселенной равном около 100 тысяч кубических мегапарсек (объем Вселенной радиусом около 70 мегапарсек). Галактика, в которой произошло событие 17 августа 2017 года, находится в созвездие Гидры, которое соседствует с созвездием Девы, где расположен центр Местного сверхскопления галактик:
Вероятностная карта слияний нейтронных звезд в радиусе 50 мегапарсек в статье Владимира Липунова 1995 года. Источник
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1710/1710.05911.pdf
Тем самым близость события 17 августа 2017 года к центру Местного сверхскопления галактик хорошо показывает, что гамма-всплески могут являться инструментом для картографирования крупномасштабной структуры Вселенной. Это связано с тем, что данные события происходят достаточно редко и могут наблюдаться даже из ранней Вселенной.
Одна из первых подобных попыток была проведена в 2015 году. В ходе него была обнаружена пространственная близость к друг другу 9 гамма-всплесков. Эти гамма-всплески находились на дистанции в 2770 мегапарсек (красные смещения между 0.78 и 0.86) и образовывали на небе кольцевую структуру диаметром в 43 угловых градусов (или 1720 мегапарсек). Авторы работы подчеркивали, что вероятность случайного расположения гамма-всплесков в подобной структуре была 1 к 2 миллионам. По предположениям авторов кольцо гамма-всплесков могло представлять собой огромный войд, который во много раз больше максимального возможного размера структур Вселенной в космологических моделях (примерно 370 мегапарсек).
Распределение гамма-всплесков на небе с удалением около 9 миллиардов световых лет. Источник http://www.sci-news.com/astronomy/science-ring-gamma-ray-bur...
Склонность гамма-всплесков к кластеризации была отмечена еще в 2003 году на основе выборки из 26 длинных гамма-всплесков. Кольцо 2015 года было замечено на основе измерений красного смещения 361 гамма-всплесков, известных к октябрю 2013 году.
В 2013 году на основе измерений расстояния до 283 гамма-всплесков (к июлю 2012 года) была заподозрена крупнейшая по размерам структура во Вселенной. Изучение пространственного распределения 31 гамма-всплесков с красным смещением в 1.6-2.1 показало, что 14 из них лежат на 1/8 части площади неба, в районе созвездий Геркулес и Северная Корона. Вероятность случайного расположения этой группа гамма-всплесков меньше чем один к 6 миллионам. Возможная Великая Стена Геркулес-Северная Корона лежит примерно в 3 гигапарсеках от нас и обладает размером около 2-3 гигапарсек (в районе 10 процентов размера нашей Вселенной). Эта стена в 6 раз больше Великой стены Слоана.
Распределение 283 гамма-всплесков на небе (красным из них отмечены гамма всплески с красным смещением между 1.6 и 2.1). Источник
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1311/1311.1104.pdf
Дополнительный переанализ в 2014 году подтвердил значительную кластеризацию гамма-всплесков в районе созвездий Геркулеса и Северной Короны. К 2015 году число гамма-всплесков увеличилось до 361, и новая работа снова подтвердила значительную кластеризацию в районе предполагаемой Великой Стены. Похожие выводы были сделаны на основе 311 гамма-всплесков другими исследователями (здесь и здесь).
К 2020 году число измеренных красных смещений гамма-всплесков выросло до 520, в связи с этим появились сомнения в статистической значимости гамма-всплесков с красным смещением около 2.
На эту работу авторы гипотезы Великой стены ответили, что современные теории не противоречат возможности образования структур во Вселенной размером до 2-3 гигапарсек (в частности теория изменения постоянной Хаббла в разных частях Вселенной или возможность существования волн всплесков звездообразования). В последнем случае отмечается, что только 28 из 487 гамма всплесков с измеренным красным смещением можно отнести к коротким всплескам (длительностью меньше 2 секунд). Также в последней работе отмечается падение интереса к измерению красных смещений гамма-всплесков. Так с 2006 года доля гамма-всплесков с измеренным красным смещением из всех с хорошо определенными координатами снизилась c почти 50% до 10%:
Для сравнения число регистрируемых гамма-всплесков с хорошо определенными координатами, после запуска Свифта в 2004 году, практически не изменилась и примерно равна сотне в год. Но в будущем возлагаются большие надежды на новую космическую миссию THESEUS. Эта миссия одна из трех финалистов европейского конкурса M5 с запуском около 2032 года (другими финалистами являются японо-европейский проект 2.5-метрового инфракрасного телескопа Спика и миссия по радарному картографированию Венеры - EnVision). Окончательное зарешение конкурса М5 ожидается в следующем году.
В случае победы в конкурсе М5 телескоп THESEUS будет запущен с помощью носителя Вега-С на экваториальную орбиту высотой около 600 км. Главной изюминкой проекта называется 70-см инфракрасный телескоп, за счет которого у проекта появится возможность обнаруживать гамма-всплески вплоть до z=14 (для сравнения у Swift диаметр телескопа, работающего в оптическом и УФ-диапазоне, составляет около 30 см).
Для надежной регистрации событий гибели первых звезд Вселенной потребуется научиться отличать их от других переменных источников в рентгеновском диапазоне. Источник
https://www.cosmos.esa.int/documents/332006/1402684/WYuan_t....
Ожидается что кроме рекордно далеких гамма-всплесков, THESEUS многократно увеличит число гамма-всплесков с небольшими красными смещениями:
Интересно отметить, что другие данные не подтверждают существование Великой стены Геркулеса-Северной Короны. К примеру, если взять координаты гамма-блазаров, зарегистрированных космической обсерваторией имени Ферми в том же диапазоне красных смещений (от 1.6 до 2.1), то их распределение на небе не показывает значимой концентрации к созвездиям Геркулеса или Северной Короны.
Распределение 63 гамма-блазаров на небе с красными смещениями между 1.6 и 2.1, зарегистрированных за 2 года наблюдений обсерватории имени Ферми. Распределение гамма-блазаров не показывает значимого избытка на северном небе по сравнению с южным небом (34 против 29). Примечание. Гамма-блазары – это галактики со сверхмассивными черными дырами, у которых джеты выбросов, направлены к земному наблюдателю.
Другой многообещающей миссией по увеличению числа исследованных гамма-всплесков, называют китайский космический телескоп “зонд Эйнштейна”, который отправится на орбиту примерно в 2022 году. Этот космический аппарата будет располагать рентгеновскими мониторами с рекордной чувствительностью:
Кроме того ожидается, что в ближайшие десятилетия гравитационно-волновые обсерватории будут обладать всё большим потенциалом в независимом определении расстояния до обнаруженных гамма-всплесков. Если современный радиус обнаружения слияния нейтронных звезд близок к нескольким сотням мегапарсек, то к 30м годам 21 века он вырастет до времени зарождения первых звезд во Вселенной:
Планируемое улучшение чувствительности гравитационно-волновых детекторов в ближайшие годы. Источник
https://arxiv.org/pdf/1304.0670.pdf
В третьем сеансе наблюдений усовершенствованных наземных гравитационно-волновых детекторов в 2019-2020 году удалось зарегистрировать гравитационные волны от второго слияния нейтронных звезд на расстояние около 150 мегапарсек (погрешность определения расстояния около 40 мегапарсек). В ходе события удалось зарегистрировать и возможный гамма-всплеск (его длительность оценивают в 6 секунд). В отличие от первого события положение события S190425z на небе точно установить не удалось (возможная область его нахождения составляет почти четверть от всего неба).
Альтернативой больших гамма-обсерваторий или огромных наземных гамма-детекторов для регистрации гамма-всплесков называют создание большой сети небольших спутников с гамма-детекторами. Это связано с тем, что гамма-всплески являются ярчайшими гамма-источниками на небе, и их первоначально регистрировали с помощью небольших приборов, размещенных на высокоорбитальных военных спутниках или межпланетных станциях. В некоторых проектах предлагается разместить до 80 кубосатов с гамма-детекторами на разных околоземных орбитах.
