Учені наблизились до розгадки однієї з найбільших таємниць космосу

Яку таємницю приховують червоні точки у небі?

Відтоді як космічний телескоп "Джеймс Вебб" розпочав свою місію з вивчення раннього Всесвіту, дослідники почали фіксувати незвичайні структури, які отримали назву "маленькі червоні цятки" (LRDs). На інфрачервоних знімках вони виглядають як сотні компактних плям, розташованих на величезних відстанях – близько дванадцяти мільярдів світлових років від Землі. Учені вважають, що ці об'єкти почали формуватися приблизно через шістсот мільйонів років після Великого вибуху, що робить їх ключовими свідками дитинства нашого космосу, пише ScienceAlert.

Цікаво, що в оптичному світлі вони здаються червоними, тоді як в ультрафіолетовому діапазоні набувають блакитного відтінку. Довгий час природа цих об'єктів залишалася предметом дискусій.

Існувало кілька гіпотез щодо їхнього походження:

• Одна з них припускає, що "червоні цятки" – це світло, яке випромінюють регіони навколо надмасивних чорних дір, прихованих щільними хмарами газу. Однак це припущення не зовсім узгоджується з тим, як виглядають інші надмасивні чорні діри тієї ж епохи, більшість із яких не здаються заблокованими газовими завісами.
• Інші дослідники висували теорію, що це особливий тип ранніх галактик або активних галактичних ядер (AGN), які живляться енергією чорних дір.
• Існувала навіть екзотична версія про існування "зірок з чорною дірою всередині" або black hole stars – надмасивних світил з дефіцитом металів, які жили швидко і помирали молодими за космічними мірками.

Так виглядають червоні цятки в об'єктиві JWST / Фото NASA/ESA

Справжній прорив стався нещодавно, коли міжнародна команда астрономів, аналізуючи дані рентгенівської обсерваторії Chandra у порівнянні з глибокими оглядами JWST, виявила аномалію. Вони знайшли об'єкт під назвою 3DHST-AEGIS-12014, розташований на відстані одинадцяти цілих восьми десятих мільярда світлових років. На відміну від сотень інших подібних об'єктів, цей активно випромінює рентгенівські промені. Оскільки таке випромінювання зазвичай притаманне акреційним дискам та джетам чорних дір, знахідка стала сенсацією.

Астрономи намагалися з'ясувати, що таке маленькі червоні цятки, протягом кількох років. Цей єдиний рентгенівський об'єкт може бути тим, що дозволяє нам з'єднати всі крапки,
– прокоментував Рафаель Гвідінг з Інституту астрономії Макса Планка в Німеччині, який є провідним автором дослідження.

Відкриття 3DHST-AEGIS-12014 дає підстави вважати, що це перехідний об'єкт, який підтверджує існування чорної діри в серці таких структур. Це може бути відсутня ланка між гіпотетичними "зірками з чорними дірами" та гігантськими чорними дірами, які згодом домінували в ранньому Всесвіті.

Художня ілюстрація рентгенівської плями 3DHST-AEGIS-12014 / Зображення NASA/CXC/SAO

Співавторка роботи Анна де Граафф з Центру астрофізики Гарвард-Смітсонівського інституту зауважила: "Якщо маленькі червоні цятки – це надмасивні чорні діри, що швидко ростуть, то чому вони не випускають рентгенівське випромінювання, як інші подібні об'єкти? Виявлення червоної цятки, яка виглядає інакше, дає нам нове важливе розуміння того, що може бути їхнім джерелом енергії".

Згідно з висновками вчених, опублікованими у виданні Universe Today, цей об'єкт може перебувати на стадії еволюції, коли він усе ще занурений у газові хмари. Проте в цих хмарах з'являються розриви, крізь які рентгенівське випромінювання проривається назовні.

Це пояснює, чому інтенсивність випромінювання 3DHST-AEGIS-12014 змінюється з часом.

Якщо ми підтвердимо, що ця рентгенівська цятка є перехідною формою, ми не лише побачимо перший об'єкт такого роду, але й уперше зможемо зазирнути в саме серце маленької червоної цятки. Ми також отримаємо найпереконливіший доказ того, що ріст надмасивних чорних дір лежить в основі якщо не всієї, то принаймні частини популяції червоних цяток,
– каже Ханпу Лю з Принстонського університету.

Хоча знахідка дає багато відповідей, вона також ставить нові питання про формування та життєвий цикл цих космічних тіл. Деякі теорії припускають, що об'єкт може бути оточений екзотичним пилом, який раніше не зустрічався астрономам.

Для остаточного підтвердження теорії "перехідної ланки" вчені планують продовжувати спостереження, щоб отримати більше даних про мінливість активності 3DHST-AEGIS-12014 та довести наявність чорних дір в інших подібних об'єктах.

Вам також буде цікаво дізнатися: що відомо про телескоп "Джеймс Вебб" і його можливості

Космічний телескоп James Webb Space Telescope, або JWST, став одним із найскладніших і найдорожчих наукових проєктів в історії людства. Його створювали понад 25 років. Телескоп розробляли NASA разом із European Space Agency та Canadian Space Agency. Спочатку запуск планували ще на 2007 рік, але через технічні труднощі, складність конструкції та численні переробки проєкт постійно відкладали. У результаті телескоп запустили лише наприкінці 2021 року ракетою Ariane 5.

JWST став наступником знаменитого Hubble Space Telescope, але його можливості значно ширші. Якщо Hubble переважно працює у видимому спектрі, то Джеймс Вебб спостерігає Всесвіт переважно в інфрачервоному діапазоні. Саме це дозволяє йому бачити дуже далекі й стародавні об'єкти. Світло від них настільки розтягнулося через розширення Всесвіту, що перейшло у червону та інфрачервону частину спектра.

Телескоп розташований приблизно за 1,5 мільйона кілометрів від Землі в точці Лагранжа L2. Там він захищений від тепла Сонця величезним п'ятишаровим екраном розміром із тенісний корт. Завдяки цьому прилади можуть охолоджуватися до температур нижче мінус 223 градусів Цельсія, пише NASA Science.

Головне дзеркало JWST має діаметр 6,5 метра і складається з 18 позолочених сегментів. Це дозволяє збирати набагато більше світла, ніж Hubble. Телескоп оснащений чотирма головними науковими інструментами:

• NIRCam використовується для зйомки в ближньому інфрачервоному спектрі.
• NIRSpec аналізує спектри світла та допомагає визначати склад далеких об'єктів.
• MIRI працює в середньому інфрачервоному діапазоні та дозволяє бачити холодний пил, екзопланети та далекі галактики.
• FGS/NIRISS відповідає за точне наведення телескопа та додаткові спектроскопічні спостереження.

Основні завдання JWST пов'язані з вивченням раннього Всесвіту, перших галактик, формування зірок, чорних дір і планетних систем. Також телескоп активно досліджує атмосфери екзопланет і шукає там молекули води, вуглекислого газу, метану та інших речовин. Останніми роками він навіть уперше зміг дослідити поверхню далекої кам'янистої екзопланети, повідомляє Reuters.

Що відомо про телескоп Chandra?

Chandra X-ray Observatory – це космічний рентгенівський телескоп NASA, який вважається одним із найпотужніших інструментів для вивчення "гарячого" та надзвичайно енергетичного Всесвіту. Його запустили 23 липня 1999 року шатлом Space Shuttle Columbia у межах програми "Великі обсерваторії" NASA, до якої також входили Hubble Space Telescope, James Webb Space Telescope та інші орбітальні телескопи. Основна спеціалізація Chandra – спостереження рентгенівського випромінювання, яке виникає у найекстремальніших середовищах космосу, пише NASA.

На відміну від звичайних оптичних телескопів, які працюють із видимим світлом, Chandra фіксує рентгенівські промені. Таке випромінювання виникає там, де температура сягає мільйонів градусів Цельсія, а також у районах із надпотужною гравітацією чи магнітними полями. Саме тому телескоп використовується для вивчення чорних дір, нейтронних зірок, залишків наднових, активних галактичних ядер та гарячого газу у скупченнях галактик.

Конструкція Chandra суттєво відрізняється від традиційних телескопів. Рентгенівські фотони мають дуже високу енергію й не можуть просто відбиватись від дзеркал так, як звичайне світло. Через це інженерам довелося створити особливу систему з чотирьох пар надзвичайно гладких дзеркал, відполірованих майже до атомного рівня. Рентгенівські промені ковзають уздовж поверхні під дуже малим кутом і лише тоді фокусуються на детекторах. NASA порівнює це з рикошетом кулі від стіни.

Телескоп працює на дуже витягнутій орбіті навколо Землі. Після запуску він був виведений на орбіту з апогеєм близько 140 тисяч кілометрів та перигеєм приблизно 10 тисяч кілометрів. Така траєкторія дозволяє Chandra довго перебувати далеко від радіаційних поясів Землі та проводити безперервні наукові спостереження.

Chandra X-ray Observatory / Зображення NASA

Однією з головних переваг Chandra стала рекордна для рентгенівської астрономії роздільна здатність. NASA зазначає, що телескоп має у вісім разів кращу чіткість зображення та здатний бачити об'єкти у понад 20 разів тьмяніші, ніж попередні рентгенівські обсерваторії. Саме це дозволило астрономам уперше настільки детально досліджувати гарячий Всесвіт.

За понад 25 років роботи Chandra зробив величезну кількість відкриттів. Телескоп допоміг отримати одні з найдетальніших зображень залишків вибухів наднових, виявив гарячий газ між галактиками та надав докази існування темної матерії у скупченнях галактик. Одним із найвідоміших прикладів стало дослідження так званого "Кульового скупчення" галактик, де розподіл гарячого газу та гравітаційних ефектів показав, що більшість маси там припадає саме на невидиму темну матерію.

Також Chandra відіграв важливу роль у вивченні чорних дір. Телескоп здатний бачити рентгенівське випромінювання матерії, яка розігрівається перед падінням у чорну діру. Завдяки цьому астрономи можуть досліджувати процеси біля горизонту подій – межі, після якої навіть світло не може вирватися назовні.

У сучасній астрономії Chandra часто працює разом із іншими телескопами. Наприклад, James Webb Space Telescope спостерігає інфрачервоне випромінювання, Hubble Space Telescope – видиме та ультрафіолетове світло, а Chandra додає рентгенівські дані. Комбінація цих спостережень дозволяє створювати багатошарові зображення космосу та краще розуміти фізичні процеси у Всесвіті. У 2025 році NASA показало серію комбінованих знімків, де дані Chandra поєднувались із даними Webb і Hubble для вивчення активних галактик, областей народження зірок та надмасивних чорних дір, повідомляє Live Science.

NASA опублікувало 9 знімків, зроблених рентгенівською обсерваторією "Чандра" за участю телескопів "Габбл" і "Джеймс Вебб" / Фото NASA/CXC/SAO

Попри поважний вік, Chandra досі залишається активною місією. NASA продовжує використовувати телескоп для нових досліджень, а вчені регулярно публікують результати спостережень. Водночас у науковому середовищі вже обговорюють майбутніх наступників обсерваторії, оскільки Chandra поступово старіє, а деякі його детектори частково втратили чутливість через багаторічний вплив космічної радіації.

Як учені досліджують маленькі червоні цятки в космосі?

Одним із найбільш загадкових відкриттів JWST стали саме "маленькі червоні цятки" або Little Red Dots. Це дуже компактні, надзвичайно далекі й дивно яскраві об'єкти, які телескоп почав знаходити у великій кількості в ранньому Всесвіті. Вони виглядають як крихітні червоні точки на знімках глибокого космосу.

Саме їх існування стало великою проблемою для сучасної космології. Річ у тому, що ці об'єкти виявилися занадто яскравими, компактними та масивними для такого раннього періоду історії Всесвіту. Згідно з класичними моделями, великі галактики та надмасивні чорні діри не повинні були сформуватися так швидко, пише Astronomy Magazine.

Для дослідження цих цяток учені використовують кілька методів. Найважливішим є спектроскопія – аналіз світла, яке випромінюють об'єкти. Саме спектри дозволяють зрозуміти, чи є джерелом випромінювання зорі, газ, пил або активна чорна діра. Також астрономи порівнюють дані JWST із рентгенівськими спостереженнями інших обсерваторій, зокрема Chandra X-ray Observatory, зазначає Live Science.

Проблема полягає в тому, що "маленькі червоні цятки" не поводяться як звичайні активні ядра галактик. Вони майже не випромінюють рентгенівське світло, хоча надмасивні чорні діри зазвичай є потужними джерелами рентгенівського випромінювання.

Яким був наш Всесвіт у свій перший мільярд років і коли з'явилися червоні цятки?

Перший мільярд років існування Всесвіту був хаотичним і дуже активним періодом. Після Великого вибуху Всесвіт спочатку являв собою гарячу плазму. Згодом він охолов достатньо, щоб утворилися перші атоми водню та гелію. Настали так звані "темні віки" – епоха, коли ще не існувало зірок і галактик.

Приблизно через 100 – 200 мільйонів років почали народжуватися перші зорі. Вони були значно масивнішими за сучасні й складалися майже лише з водню та гелію. Потім почали формуватися перші галактики й чорні діри. У цей час Всесвіт переживав епоху космічної реіонізації – випромінювання молодих зірок поступово "розпалювало" навколишній газ. Саме в цей буремний період і почали з'являтися загадкові "маленькі червоні цятки".