Кольцо Эйнштейна — чрезвычайно редкий тип гравитационно-линзированного объекта, впервые предсказанный теорией относительности Альберта Эйнштейна. Гравитационное линзирование возникает, когда огромная гравитация массивного объекта переднего плана, такого как скопление галактик или чёрная дыра, искривляет пространство-время вокруг себя; свет, излучаемый более далёкими объектами, такими как галактики или сверхновые, проходя через это искривлённое пространство-время, также выглядит искривлённым с нашей точки зрения на Земле.
Этот эффект также увеличивает свет от объекта, на который накладывается линза, подобно увеличительному стеклу, что позволяет астрономам изучать удалённые объекты более детально, чем это возможно обычно. Большинство объектов, на которые действует гравитационно-линзированное изображение, образуют дуги или частичные кольца, окружающие объект переднего плана. Однако истинное кольцо Эйнштейна образует полную окружность вокруг более близкого объекта, что возможно только при идеальном расположении удалённого объекта, объекта переднего плана и наблюдателя на одной линии.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, исследователи обнаружили новое пугающе круглое кольцо Эйнштейна, названное JWST-ER1, в рамках обзора COSMOS-Web — подробной карты более 500 000 галактик, полученных в ходе 200-часового непрерывного наблюдения JWST.
Полное кольцо Эйнштейна, JWST-ER1, является самым далеким из когда-либо обнаруженных гравитационно-линзированных объектов. НАСА/Космический телескоп Джеймса Уэбба/ван Доккум и др.
JWST-ER1 состоит из двух частей: JWST-ER1g, компактной галактики, которая действует как линзирующий объект на переднем плане; и JWST-ER1r, света от более далекой галактики, которая образует светящееся кольцо. JWST-ER1g находится примерно в 17 миллиардах световых лет от Земли, в то время как JWST-ER1r находится еще на 4 миллиарда световых лет дальше. До сих пор, по данным BigThink.com, самый дальний обнаруженный линзирующий объект находился на расстоянии около 14,7 миллиарда световых лет. (Хотя возраст самой Вселенной оценивается примерно в 13,7 миллиарда лет, постоянное расширение Вселенной означает, что свет от самых старых объектов должен пройти гораздо большее расстояние, чтобы достичь наших телескопов).
Благодаря полному кольцу JWST-ER1 исследователи вычислили массу линзирующей галактики, определив степень искривления ею пространства-времени вокруг себя. Это показало, что масса галактики эквивалентна примерно 650 миллиардам солнц, что делает её необычайно плотной для своего размера. Часть этой дополнительной массы можно объяснить тёмной материей — таинственной невидимой материей, составляющей около 85% всей материи во Вселенной. Но даже в этом случае, согласно расчётам исследователей, маловероятно, что звёзд достаточно, чтобы объяснить остальную массу галактики.
«Для объяснения результатов линзирования необходима дополнительная масса», но пока не совсем ясно, что это за масса, пишут исследователи в своей статье.
Коллекция неполных и почти идеальных колец Эйнштейна, сфотографированных телескопом «Хаббл» НАСА. Чтобы получить идеальный круг, объект на заднем плане, объект на переднем плане и наблюдатель должны быть идеально выровнены. НАСА
Ранее были обнаружены другие, столь же старые и плотные галактики, что говорит о наличии чего-то общего у этих древних звёздных фабрик, что делает их такими массивными. Одно из объяснений заключается в том, что эти галактики содержат гораздо больше тёмной материи, чем предполагалось, в то время как другая теория предполагает, что внутри них может скрываться больше звёзд малой массы, чем в более молодых галактиках. Но для выяснения этого необходимы дополнительные исследования.
Это не первое настоящее кольцо Эйнштейна, обнаруженное телескопом JWST. В сентябре 2022 года пользователь Reddit обнаружил идеально круглое кольцо света из галактики JO418, расположенной примерно в 12 миллиардах световых лет от Земли, линзированное вокруг более близкой галактики. JWST также использовал гравитационное линзирование, чтобы заснять самую далекую из когда-либо обнаруженных звезд и одну из старейших галактик во Вселенной.
Это потрясающее гало – результат прохождения света от далёкой галактики через искривлённое пространство-время, окружающее другую галактику, расположенную на одной линии между далёким источником света и Землёй. Изображение 2022 года, полученное космическим телескопом имени Джеймса Уэбба, созданное астрономом-энтузиастом на Reddit, – один из лучших примеров этого необычного астрономического явления, когда-либо запечатлённых.
Кольцо света на новом изображении исходит от далекой галактики SPT-S J041839-4751.8 (или сокращенно JO418), которая находится примерно в 12 миллиардах световых лет от Земли, что делает ее одной из старейших галактик во Вселенной. JO418 ориентирована прямо за другой галактикой — ярким синим светом в центре кольца — которая настолько массивна, что ее гравитационное притяжение искривляет пространство-время вокруг нее. Когда свет от JO418 достигает галактики переднего плана, он проходит через это искривленное пространство-время. С Земли выглядит так, как будто свет искривился вокруг галактики, но электромагнитные волны, которые мы видим, на самом деле все это время распространяются по прямой линии.
Крупный план кольца Эйнштейна JO418. Spaceguy44
Этот странный эффект похож на то, как стеклянные линзы перенаправляют свет. Подобно увеличительным стеклам, это явление также заставляет свет от далёких галактик казаться гораздо ближе, чем они есть на самом деле. Единственное отличие заключается в том, что линза сделана из искривлённого гравитацией пространства-времени, а не из стекла. Поэтому исследователи назвали этот странный эффект гравитационным линзированием. Альберт Эйнштейн впервые предсказал гравитационное линзирование в 1912 году, когда разработал свою теорию относительности.
Пользователь Reddit и аспирант-астроном под ником Spaceguy44 опубликовал изображение кольца Эйнштейна JOS18 23 августа в сабреддите r/Astronomy. Анонимный астроном создал снимок, используя общедоступные данные, полученные прибором средней инфракрасной области спектра (MIRI) космического телескопа имени Джеймса Уэбба.
«Мы бы не смогли увидеть J0418, если бы не искривление лучей гравитации», — написал Spaceguy44 на Reddit. «Без эффекта линзирования галактика, вероятно, выглядела бы как большинство далёких галактик: как маленький сгусток света».
Почти идеальное кольцо Эйнштейна из галактики JO418. Spaceguy44
В 2020 году исследователи обнаружили далекую галактику, зафиксировав частичное гравитационное линзирование с помощью Большой миллиметровой/субмиллиметровой антенной решетки Атакама (ALMA) в Чили; они сообщили о своем открытии в статье, опубликованной в том же году в журнале Nature.
13 августа Spaceguy44 опубликовал изображение JO418, используя данные, собранные инструментом NIRCam Уэбба, однако, по данным ScienceAlert, первоначальный снимок имел гораздо более низкое разрешение, а кольцо света было менее заметным.
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Космический телескоп «Хаббл» НАСА сделал снимки нескольких других колец Эйнштейна, включая кольцо, сформированное из искривлённого света квазара. Однако ни одно из этих колец Эйнштейна не было столь полным и чётким, как на снимке Reddit.
Идеально круглые кольца Эйнштейна встречаются крайне редко, поскольку для их обнаружения требуется, чтобы как далёкие, так и ближние галактики были идеально выровнены по отношению к наблюдателю. Однако более совершенные датчики на телескопе Уэбба должны облегчить их обнаружение в будущем.
Новый анализ необычайно массивной, но компактной галактики из ранней Вселенной показывает, что темная материя взаимодействует сама с собой.
Галактика JWST-ER1, образовавшаяся всего через 3,4 миллиарда лет после Большого взрыва, была впервые обнаружена в октябре 2023 года на снимках, полученных космическим телескопом имени Джеймса Уэбба (JWST) НАСА. Находясь на расстоянии более 17 миллиардов световых лет от Земли, JWST-ER1g является самым дальним примером идеального «кольца Эйнштейна» — непрерывного круга света вокруг галактики, возникшего в результате искривления световых лучей из далёкой, невидимой галактики под воздействием искривляющей пространство массы JWST-ER1. Исследование было опубликовано 11 апреля 2024 года в The Astrophysical Journal Letters.
Космический мираж — это не просто красивое зрелище, создаваемое удачным расположением галактик; он также дает физикам ценный зонд для независимых от модели измерений массы, заключенной в радиусе кольца.
Рассчитав, насколько сильно JWST-ER1g искривляет пространство-время вокруг себя, команда исследователей пришла к выводу, что галактика весит около 650 миллиардов солнц, что делает её необычайно плотной для своего размера. Вычитая видимую звёздную массу из общей предполагаемой массы, физики могут определить, какую часть галактики занимает тёмная материя — невидимая субстанция, которая, как считается, составляет более 80% всей материи во Вселенной.
Необычайно плотная галактика JWST-ER1 и её кольцо Эйнштейна, запечатлённое космическим телескопом имени Джеймса Уэбба в 2023 году. П. ван Доккум и др.
Несмотря на десятилетия наблюдений и множество косвенных доказательств, неуловимую субстанцию до сих пор не удалось обнаружить напрямую. В JWST-ER1g группа исследователей установила, что тёмная материя объясняет примерно половину разницы масс, и что «для объяснения эффекта линзирования, по-видимому, необходима дополнительная масса», согласно статье, опубликованной в 2023 году.
«Значение массы тёмной материи, похоже, выше, чем ожидалось», — заявил Хай-Бо Юй, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде (UCR) и соавтор нового исследования. «Это озадачивает».
В статье Ю и его коллеги предполагают, что необычно высокая плотность JWST-ER1g может быть объяснена более высокой популяцией звёзд, чем считается в настоящее время. Однако, как отметил в том же заявлении ведущий автор исследования Демао Конг из Калифорнийского университета в Риверсайде, механизм сжатия, посредством которого обычная материя — вещество, из которого состоят газ и звёзды, — «коллапсирует и конденсируется» в гало тёмной материи JWST-ER1g, может привести к «упаковке большего количества тёмной материи в том же объёме, что приводит к более высокой плотности».
Гало тёмной материи, наиболее плотное в центре галактики, представляет собой гравитационное связующее звено, препятствующее разлету вращающихся галактик. Более того, согласно новому исследованию, модели, включающие определённый тип тёмной материи, частицы которой взаимодействуют друг с другом, «отлично соответствуют измерениям JWST-ER1».
Зеркала космического телескопа имени Джеймса Уэбба собраны. NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett
Мы пока не знаем, что такое тёмная материя на самом деле. Наблюдательные данные указывают на то, что это новый тип частиц, о существовании которого можно судить только по его гравитационному взаимодействию с обычной материей. Тёмная материя может быть всего лишь одним типом частиц или сложным набором различных типов, как в обычной материи, которая, возможно, действует в присутствии дополнительных, ранее неизвестных сил, присущих только тёмной материи.
В декабре 2023 года Юй руководил моделированием формирования структур, включающих самовзаимодействующую темную материю, и пришел к выводу , что такое самовзаимодействие может объяснить чрезвычайно плотные гало темной материи в некоторых галактиках, а также загадочно низкие плотности в других, причем оба этих явления не объясняются господствующей теорией «холодной темной материи».
Физики надеются, что JWST сможет пролить больше света на тёмную материю, если можно так выразиться. Беспрецедентные инфракрасные возможности телескопа позволяют ему заглядывать дальше в прошлое, чем любой другой телескоп, а предстоящие исследования галактик из самой ранней Вселенной могут дать ключ к пониманию частиц тёмной материи и их поведения, сказал Юй.
Смотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
