Ложная вспышка в самой далекой галактике GN-z11 оказалась отблеском разгонного блока. О проблеме космического мусора

Ранняя Вселенная, вероятно, является одной из самых захватывающих космологических эпох, во время которой сформировался тот космос, который существует и поныне. Считается, что эта эпоха длилась около миллиарда лет, и за это время от Большого взрыва Вселенная успела выстроить нить галактик, пережить рождение и смерть первых звезд, а также засвидетельствовать появление первых крупных галактик и черных дыр. Историю той Вселенной мы знаем не по книгам, а наблюдаем воочию — благодаря ограниченной скорости света вдалеке от нас расположен молодой космос, свет которого идет сквозь эпохи и расстояния.

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога в телеграме или беседы в нашем чате. А еще у меня есть телеграм-канал о космологии.

GN-z11 на фотографии обзора Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS).
Credit: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz).
GN-z11 на фотографии обзора Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS). Credit: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz).

Пионерия молодой Вселенной

1980-е годы ознаменованы началом ознакомления человечества с летописью Вселенной. Теория Большого взрыва (БВ) на тот момент не позволяла узнать течение эволюции Вселенной, момент появления в ней первых звезд и галактик. Это стало возможным лишь после запуска первых космических телескопов, в особенности — телескопа им. Хаббла. С его помощью мы сумели наблюдать объекты на больших красных смещениях, соответствующих ранним эпохам Вселенной. И писали историю тоже мы, наблюдая наскальные рисунки древних цивилизаций: реликтового излучения, древних звезд и масштабных структур. Эмпирическим методом находились все более молодые галактики не менее молодой Вселенной, обрисовывалась картина формирования мира в первые миллиарды лет его существования. Появились первые предположения по распределению эпох во Вселенной, формированию физических законов в первые моменты ее жизни, первичному нуклеосинтезу основных элементов, отделению вещества от излучения и образованию первых звезд и галактик. Все это стало возможно благодаря обнаружению объектов на z ~ 7-8, что соответствует 600-700 млн после БВ. Уже к тому моменту сформировались скопления галактик, а сами галактики имели высокий уровень звездного населения.

Иллюстрация, показывающая историю Вселенной сверху вниз: 1) Большой взрыв и ионизация (0-300 тыс лет); 2) Темные века (300-500 000 тыс лет); 3) Конец Темных веков и эпоха реионизации (500-1000 млн лет); 4) Существование Вселенной, схожей с современной (1 млрд лет - настоящее время).
Credit: Djorgovski et al. (Caltech).
Иллюстрация, показывающая историю Вселенной сверху вниз: 1) Большой взрыв и ионизация (0-300 тыс лет); 2) Темные века (300-500 000 тыс лет); 3) Конец Темных веков и эпоха реионизации (500-1000 млн лет); 4) Существование Вселенной, схожей с современной (1 млрд лет - настоящее время). Credit: Djorgovski et al. (Caltech).

GN-z11

Человеку всегда мало. Мы хотели проникнуть еще глубже и узнать истоки. Для этого нам и пригодился космический телескоп имени Хаббла, главной фишкой которого стала заменяемость отдельных компонентов, в том числе цифровой камеры. Еще в 90-е, в связи с браком главного зеркала, на телескоп установили «очки» (COSTAR), а сняли их лишь в 2009 году, в ходе последней миссии обслуживания. Заменой стала цифровая камера, способная корректировать неисправность зеркала телескопа — Wide Field Camera 3. Эти так называемые «глаза» телескопа наблюдают за небом в ближнем ИК- и среднем УФ-диапазонах, имеют фантастическое разрешение в 0,04 угловые секунды, что позволяет регистрировать даже самые крохотные объекты, попавшие в кадр. За 12 лет работы с новым оборудованием телескопу удалось обнаружить более 1000 галактик, облик которых соответствует облику из молодой Вселенной. Так и сегодняшний герой материала, галактика GN-z11, был обнаружен в 2016 году на красном смещении z = 11,1, что соответствует расстоянию в примерно 32 миллиарда световых лет и возрасту Вселенной всего 400 миллионов лет. Это самый далекий объект, что удалось найти на данный момент.

Галактика располагается в созвездии Большой Медведицы, ее диаметр составляет примерно 4000 световых лет, что в 25 раз меньше диаметра Млечного Пути. Соответственно оценке красного смещения, галактика удаляется от нас на скорости 295 000 км/с, т.е. 98% от скорости света! Звездообразование в ней оценивается как активное, в 20 раз превышающее звездообразование во Млечном Пути. Это делает ее в три раза более яркой, чем другие галактики на z ~ 6-8. Повышенный интерес к находке также объясняется тем, что мы видим ее такой, какой она была в эпоху реионизации, происходящей через 400-800 млн лет после БВ. GN-z11 обнаружила международная группа астрономов (Oesch et al.) в ходе обзора CANDELS/GOODS-N, проводящего поиск объектов, существовавших в Темные века. Этот объект привлек внимание мирового сообщества тем, что существовал он в еще не наблюдаемой доныне космологической эпохе.

Почему это так важно

По мере расширения Вселенной наступил такой момент, когда она охладилась до температуры, позволившей веществу отделиться от излучения (380 000 лет после БВ) — тогда образовался реликтовый фон или же космический микроволновый фон (CMB). Вселенная стала прозрачной для излучения. Тогда она хоть и была анизотропной на малых масштабах, ее однородности была выше, чем сейчас, потому требовалось большее количество времени для фрагментации вещества и его скучивания и коллапса. Плазмы в то время уже не было, а первые звезды еще не появились — данный этап жизни Вселенной называют Темными веками, тогда во Вселенной не существовало фотонов в видимом спектре. Именно в темные века, продлившиеся 150 миллионов лет, путем конденсации нейтрального газа сформировались первые звезды, галактики и квазары. Ультрафиолетовое излучение мощнейших квазаров осветило и даже ослепило Вселенную — при попадании фотона этого излучения на атом водорода происходило возбуждение и отрыв электрона и его отрыв атома, порождая ион. При этом свободный электрон так и оставался свободным, не находя себе пары для создания стабильного атома водорода — таким образом средняя плотности вещества стремительно падала, образовывалась плазма, что в совокупности ускоряло процесс коллапса вещества и создания звезд и галактик. Время, в ходе которого мощное излучение ионизировало водород и готовило Вселенную к образованию крупномасштабных структур, называют эпохой реионизации. Оно длилось с 400 до 800 лет после БВ.

 Реконструкция нити галактик: филаменты (слева вверху), узлы соединения (справа вверху), наслоение (слева внизу), воиды (справа внизу). По осям отмечены единицы SGX (Supergalactic coordinates, англ: межгалактические координаты)
Credit: Sebastián E. Nuza
Реконструкция нити галактик: филаменты (слева вверху), узлы соединения (справа вверху), наслоение (слева внизу), воиды (справа внизу). По осям отмечены единицы SGX (Supergalactic coordinates, англ: межгалактические координаты) Credit: Sebastián E. Nuza

Открытие GN-z11 и его изучение помогает уточнить природу образования галактик, ведь на этот счет все еще не существует единого мнения. Но радовались мы недолго. Еще в 2016 году д.ф-м.н Игорь Чилингарьян высказал свой скептицизм к данному открытию. В 2020 году появляется новость о том, что обсерваторией им. Кека обнаружен яркий сигнал — так называемая ультрафиолетовая вспышка GN-z11-flash. По заверению ученых, она обусловлена гамма-всплеском или взрывной волной сверхновой III популяции; в этом же году выходит несколько работ, где авторы высказывают свои идеи по поводу происхождения этой вспышки, в их числе:

  1. «The GN-z11 flash event can be a satellite glint»‎, Nir et al. (arXiv.org: 2102.04466);

  2. «GN-z11-flash was a signal from a man-made satellite not a gamma-ray burst at redshift 11»‎, Michalowski et al. (arXiv.org: 2102.13164).

Рассмотрим тезисы этих двух работ:

  1. GN-z11-flash — это отражение высокоорбитального спутника;

  2. Кратковременные гамма-вспышки свойственны не космическим объектам, а вращающимся телам по типу спутников. В качестве доказательства приводится также тот факт, что угловые размеры вспышки в галактике соответствуют размерам типичных вспышек-отражений от рукотворных космических тел.

РН Протон (слева) и РБ «Бриз–М» (справа спереди)
РН Протон (слева) и РБ «Бриз–М» (справа спереди)

Такие выводы удалось сделать путем мониторинга местоположения телескопа им. Хаббла и «помех» в виде космического мусора, а также положения галактики относительно них. Подходящим под местоположение в заданное время объектом стал обломок разгонного блока «Бриз-М», запущенного РН «Протон». Исследователи с помощью телескопа RBT/PST2 измерили магнитуду вспышки отражения блока и погрешности измерений, которые оказались в допустимых пределах.

Работы о гамма-вспышке в GN-z11 попали под шквал критики — как минимум потому, что подобных вспышек от якобы удаленных объектов за сутки по всему миру регистрируется более сотни штук. По каждой работу писать глупо, так как быстро обнаруживается, что это помеха. Если посмотреть спектры, которые анализировались в исследованиях (пр.: Jiang et al., arXiv.org: 2012.06936), можно обнаружить их сходство со спектром Солнца (т.к. спутники отражают именно его свет напрямую или через Луну). Спутников на небе много, они бывают довольно большими и летают пачками по несколько штук в минуту на небольшой площади небесной сферы.

У знающих людей возникает вопрос: а откуда у обломка разгонного блока красное смещение z = 11? И действительно, на первый взгляд это весьма нелогично. Но если мы обратимся к классическому определению эффекта Доплера (да простят меня сейчас космологи), то увидим, что смещение пропорционально разности видимой и лабораторной длин волн. Если видимая длина волны измеряется непосредственно во время наблюдений, то лабораторная создается шаблоном в соответствующих условиях. Мы знаем из чего состоят галактики - из холодного нейтрального водорода HI и молекулярного водорода HII. НО! В эпоху реионизации состав галактик был немного другим, а потому и лабораторный спектр нужно измерять на другом эталоне! Например, квазары светят в CIII (углерод). Тут же в качестве эталона взяли как раз обычную для галактики смесь — нейтральный и дважды ионизированный водород, хотя на деле это мог быть и OII или OIII (дважды или трижды ионизированный кислород) или даже H-alpha. Оттого разность получилась настолько большой, что вышла из разряда доединичных значений, став смещением аж самого далекого обнаруженного на данный момент объекта.

 Эмиссионные линии спектра GN-z11.
Credit: Jiang et al.
Эмиссионные линии спектра GN-z11. Credit: Jiang et al.
Цитата из источника (Jiang et al., arXiv.org: 2012.06936).

Detection of emission lines. We first verify the detection of the UV continuum emission by stacking the 2D K-band spectrum along the wavelength direction. We detect a signal with a 5.1σ significance at the expected spatial position of the GN-z11 UV continuum (Fig. 1). We also see the standard negative-positive-negative pattern in Fig. 1b. In our ABBA observing mode, the separation between the A and B positions was 3", or ~16.7 pixels. The peak of the positive signal is roughly at x ~ 58 in Fig. 1b, so we expect to see two negative signals at x ~ 41 and 75, respectively. The negative signal at x ~ 41 is clearly seen. We can also see the negative signal at x ~ 75, although it is in a big trough that makes it less obvious. We search for emission lines in the K-band 2D spectrum and first identify a strong (5.3σ significance) line emission feature at about 22823 Å. Meanwhile, we detect a weaker (2.6σ significance), nearby line at 22797 Å. This pair of lines can be explained as the [C III] l1907, C III] l1909 doublet at z = 10.957. We would not have claimed a 2.6σ line as a detection if this line does not form a [C III], C III] doublet that is commonly seen at high redshift. We then search for >3σ lines that are associated with this redshift, and detect a line (3.3σ) at ~19922 Å that is consistent with O III] l1666 (Extended Data Fig. 3). We do not detect any other lines in the spectrum at greater than 3σ significance. If the two weak detections of 3.3σ and 2.6σ are not considered, the strongest line with the 5.3σ detection can be explained as [C III] l1907 at z = 10.970 or C III] l1909 at z = 10.957. If this line is [C III] l1907 at z = 10.970, we would expect to detect C III] l1909 with significance of ≥ 3σ, because the largest flux ratio of [C III] l1907 to C III] l1909 is about 1.6 in regular environments. Since we did not detect the expected C III] l1909 emission, the 5.3σ line is not likely [C III] l1907. Therefore, we interpret the line pair at 22797 and 22823 Å as the [C III] l1907, C III] l1909 doublet and the line at 19922 Å as O III] l1666 at z = 10.957.

Выводы

Что является итогом этого? Вероятно то, что проблема загрязнения космического пространства весома не только для мирового сообщества, но в частности и для астрономического. Уже сейчас астрономы регистрируют сотни вспышек, вызванных помехами в виде отражений спутников (актуальная история со Starlink). Мы научились обнаруживать эти ложные вспышки, но они все еще требуют сортировки, человеческих ресурсов, повышенных рисков и вложений. На фоне этих вспышек, по великой случайности, мы можем проигнорировать важное событие по типу сверхновой в такой же далекой галактике. Будем надеяться, что большинство событий, обнаруженных в древней Вселенной, являются действительными.

Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня есть телеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне в личку или наш чат. Всем добра!

Библиографический список

[1] Evidence for GN-z11 as a luminous galaxy at redshift 10.957 / Linhua Jiang, Nobunari Kashikawa, Shu Wang et al. // Nature Astronomy. –– 2020. –– Dec. –– Vol. 5, no. 3. ––P. 256–261. –– Access mode: http://dx.doi.org/10.1038/s41550-020-01275-y;

[2] Michalowski Micha l J., Kami ́nski Krzysztof, Kami ́nska Monika K., Wnuk Edwin. GN-z11-flash was a signal from a man-made satellite not a gamma-ray burst at redshift 11. –– 2021. ––2102.13164;

[3] Nir Guy, Ofek Eran O., Gal-Yam Avishay. The GN-z11-Flash Event Can be a Satellite Glint. –– 2021. –– 2102.04466;

[4] A remarkably luminous galaxy at z = 11.1 measured with Hubble Space Telescope grismspectroscopy / P. A. Oesch, G. Brammer, P. G. van Dokkum et al. // The AstrophysicalJournal. –– 2016. –– Mar. –– Vol. 819, no. 2. –– P. 129. –– Access mode: http://dx.doi.org/10.3847/0004-637X/819/2/129.

78 0