Телескоп «Джеймс Уэбб» открывает новые возможности для астрономических наблюдений благодаря гравитационному линзированию.

Новости МирТесен

С появлением космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) астрономия, основанная на гравитационном линзировании, переживает значительный прогресс. В обзорной статье, подготовленной Ади Цитрином из Университета Бен-Гуриона в Негеве (Израиль), отмечается, что благодаря своим уникальным характеристикам и эффекту сильного гравитационного линзирования JWST позволяет исследовать Вселенную с невиданной ранее детализацией, делая доступными для изучения объекты, которые не поддавались обнаружению даже при использовании самых передовых обсерваторий.

Согласно Общей теории относительности Эйнштейна, гравитационное линзирование возникает из-за искривления пространства-времени массивным объектом, расположенным между наблюдателем и удаленным источником света, например, скоплением галактик. В результате этого искривления, объект действует как огромная «космическая лупа», увеличивая яркость далеких галактик и создавая несколько их изображений. Это позволяет ученым изучать самые ранние периоды эволюции Вселенной. Несмотря на то, что принципы этого явления были впервые обнаружены в конце XX века с использованием телескопа Хаббл, именно космический телескоп Джеймса Уэбба, благодаря своему 6,5-метровому зеркалу и высокой чувствительности в инфракрасном спектре, обеспечил значительный прогресс в этой области.

Одной из главных заслуг телескопа JWST стало исследование наиболее удаленных галактик, сформировавшихся в эпоху, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. До запуска телескопа «Хаббл» он позволял идентифицировать галактики с красным смещением примерно до значений 11–12. В настоящее время JWST спектроскопически зафиксировал наличие галактик с красным смещением 14–14,5, а некоторые объекты-кандидаты, выявленные посредством фотометрии, предположительно находятся еще дальше. Благодаря эффекту гравитационного линзирования, усиливающего свет от этих слабых объектов, телескоп обеспечивает возможность изучения самого нижнего предела ультрафиолетовой функции светимости, что имеет решающее значение для выяснения вопроса о том, являлись ли карликовые галактики основным источником реионизации Вселенной.

Особого внимания заслуживают достижения телескопа JWST в изучении точечных источников. Благодаря высокому разрешению и использованию линз, он впервые получил спектры отдельных звезд, расположенных на космологических масштабах. Одна из таких звезд, имеющая красное смещение приблизительно 4,8, не только была запечатлена, но и подвергнута анализу спектрографом NIRSpec. Полученные данные указали на температуру звезды около 15 000 К, хотя окончательно исключить наличие двойной системы или небольшого скопления пока не удалось. Помимо этого, наблюдения за первой гравитационной дугой, названной «Дракон», в скоплении Abell 370 позволили выявить более 40 событий пересечения каустики – временных вспышек отдельных звезд на заднем плане, которые были обнаружены всего за два последовательных сеанса наблюдений.

Наблюдения сверхновых, усиленных гравитационным линзированием, претерпели существенные изменения благодаря работе JWST. За десятилетия работы телескопа Хаббл было зафиксировано лишь небольшое количество подобных явлений, в то время как за первые три года работы Уэбб удалось обнаружить значительно больше. Ярким примером является сверхновая Eos с красным смещением 5,13 – это самый удаленный объект сверхновой, когда-либо обнаруженный непосредственно. Ее особенность заключается в том, что она была найдена не с использованием метода разностных изображений, а благодаря точной модели линзирования: две красные точки на изображении скопления MACS J1931.8-2635 оказались различными изображениями одного и того же взрыва. Спектральный анализ, проведенный с помощью JWST, подтвердил, что это сверхновая типа II с низким содержанием металлов, и позволил детально изучить ее характеристики.

Заслуживает особого внимания открытие популяции «маленьких красных точек» (Little Red Dots), впервые выявленных с помощью телескопа JWST. В качестве прототипа был выбран объект Abell2744-QSO1 — тройное изображение компактного источника с красным смещением примерно 7,6. Несмотря на значительное увеличение, объект сохранял точечный вид во всех трех изображениях, что свидетельствовало о его чрезвычайно малом размере (менее 30 парсек). Спектральный анализ продемонстрировал широкие эмиссионные линии Бальмера, типичные для активного ядра галактики (AGN), что позволило идентифицировать его как сверхмассивную черную дыру с аномально высоким отношением массы черной дыры к массе галактики-хозяина. Оказалось, что эти «маленькие красные точки» весьма часто встречаются на наблюдаемых площадях, охватываемых телескопом JWST.

Благодаря возможностям телескопа JWST стало возможным детально изучить области влияния сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, исследовать строение спиральных галактик на больших расстояниях (в частности, галактику Харибда) и наблюдать звездные скопления диаметром около 1 парсека при красных смещениях, превышающих 10–11. Несмотря на ограниченное поле зрения, «Уэбб» демонстрирует высокую эффективность при использовании слабого гравитационного линзирования, благодаря способности определять форму большого числа удаленных объектов.

Сочетание телескопа JWST и эффекта гравитационного линзирования предоставило уникальные возможности для исследования темной материи, сверхмассивных черных дыр, одиночных звезд и самых ранних галактик. Всего за несколько циклов наблюдений Уэбб зафиксировал такое же количество скоплений, как и телескоп Хаббл за три десятилетия.

Исследование в журнале arXiv.org.