Пять открытий телескопа Spitzer

Космический телескоп Spitzer завершил свою миссию после более 16 лет исследований инфракрасного излучения Вселенной. ПостНаука попросила астрофизика Владимира Сурдина рассказать о значимых открытиях, сделанных с помощью этого телескопа.

Новорожденные звезды под покрывалом космической пыли

Новорожденные звезды выглядывают из-под своей облачной колыбели на четком изображении туманности ρ Змееносца (ρ Oph), полученном телескопом Spitzer в 2008 году. Эта область, находящаяся в 407 световых годах от Земли, является одним из ближайших к нашей Солнечной системе центров звездообразования. Она названа так, поскольку лежит рядом со звездой ρ Змееносца (ρ Ophiuchi) в созвездии Змееносец, у границы с созвездием Скорпион.

В туманности ρ Oph особенно выделяется большое главное облако, состоящее из молекулярного водорода — ключевой молекулы, позволяющей новым звездам образовываться из холодного космического газа. Исследователям удалось найти более 300 молодых звездных объектов в пределах этого центрального облака. Их средний возраст составляет всего 300 тысяч лет, что очень мало по сравнению с некоторыми из старейших звезд Вселенной, которым более 12 миллиардов лет. Из-за чрезвычайной молодости обнаруженных звезд мы можем наблюдать за ними на очень ранних стадиях звездной эволюции.

Цвета на изображении отражают относительную температуру и эволюционный статус различных звезд. Самые молодые звезды окружены газовыми дисками, которые отображаются красным цветом. В них и формируются молодые звезды и будущие планетные системы. Некоторые из дисков окружены собственными компактными туманностями. Более взрослые звезды, уже сбросившие с себя часть протозвездного вещества, на изображении показаны синим цветом.

Протоскопление COSMOS-AzTEC3

В 2011 году с помощью телескопа Spitzer астрономы обнаружили очень далекую растущую группу галактик, названную COSMOS-AzTEC3. Свет от этих галактик путешествовал до Земли более 12 миллиардов лет. Астрономы считают, что такие объекты, называемые протоскоплениями, в конечном счете выросли в современные скопления галактик, которые связаны взаимной гравитацией. 

Как только ученые обнаружили это скопление галактик, они с помощью Spitzer измерили его полную массу. На этом расстоянии оптический свет от звезд смещается за счет эффекта Доплера до инфракрасных длин волн, которые может наблюдать Spitzer. Общая масса галактик в группе оказалась как минимум 400 миллиардов Солнц — достаточно, чтобы понять, что астрономы действительно обнаружили массивное протоскопление. Наблюдения Spitzer также помогли подтвердить, что массивная галактика в центре скопления формирует звезды с впечатляющей скоростью.

Большинство галактик в нашей Вселенной связаны вместе в скопления, которые усеивают космический ландшафт, как города, где многочисленные звездные системы сосредоточены вокруг одной старой, огромной галактики, содержащей массивную черную дыру. Астрономы полагали, что примитивные версии этих скоплений, все еще формирующихся и собирающихся вместе, должны были существовать в ранней Вселенной, и свет от COSMOS-AzTEC3 помог подтвердить эту гипотезу.

Протоскопление COSMOS-AzTEC3 было самым удаленным из когда-либо обнаруженных к тому моменту. Наблюдая его с помощью крупнейших наземных и космических телескопов разных диапазонов — от радиодиапазона до рентгеновского, — астрономы обнаружили, что COSMOS-AzTEC3 буквально гудит от вспышек звездообразования и огромной черной дыры в его центре.

Самое большое кольцо Сатурна

В 2009 году с помощью телескопа Spitzer обнаружили новый пояс частиц, который обращается вокруг Сатурна гораздо дальше известных его колец. Основная часть обнаруженного пояса начинается примерно в 6 миллионах километров от планеты и простирается еще на 12 миллионов километров. Кольцо шире примерно в 170 раз диаметра Сатурна и в 20 раз — диаметра планеты.

Один из самых удаленных спутников Сатурна, Феба, движется внутри кольца и, вероятно, является источником его вещества. Относительно небольшое количество частиц в кольце не отражает достаточно видимого света, особенно на орбите Сатурна, где солнечный свет слаб, поэтому пояс так долго оставался скрытым. Инфракрасные датчики Spitzer смогли различить излучение прохладной пыли, температура которой всего около 80 кельвинов.

Это открытие может помочь решить извечную загадку одного из спутников Сатурна. Япет имеет странный вид: одна его сторона яркая, а другая темная. Астроном Джованни Кассини впервые заметил этот спутник Сатурна в 1671 году, а годы спустя выяснил, что у него есть темная сторона, теперь названная Cassini Regio в его честь. Открытие дальнего пояса системы Сатурна могло бы объяснить, как появился Cassini Regio. Кольцо обращается в том же направлении, что и Феба, тогда как Япет, другие кольца и большинство спутников Сатурна движутся в противоположном направлении. По словам ученых, часть темного пылевого вещества из внешнего кольца движется навстречу Япету, ударяясь в ледяной спутник, как жуки о стекло, и покрывая темным слоем его переднее полушарие.

Самая удаленная планета

В 2015 году космический телескоп NASA Spitzer объединился с польским телескопом OGLE, находящимся на Земле, чтобы найти удаленную на 13 тысяч световых лет газовую планету — одну из самых отдаленных известных планет. 

Spitzer с его уникальным положением в космосе был использован для решения задачи о том, как планеты распределены в объеме нашей дисковой спиральной галактики Млечный Путь: являются более распространенными планеты в центральной выпуклости Галактики или в ее диске?

Польский телескоп OGLE в обсерватории Лас-Кампанас в Чили сканирует небо для поиска планет с помощью метода, называемого микролинзированием. Этот подход основан на явлении гравитационного линзирования, при котором свет изгибается и усиливается под действием силы тяжести. Когда звезда проходит перед более удаленной звездой, гравитация ближней звезды может искривлять и усиливать свет далекой звезды. Если планета обращается вокруг ближней звезды, то гравитация планеты может оставить свой отпечаток на усиленном свете.

Астрономы используют эти вспышки света, чтобы найти и изучить планеты, удаленные на десятки тысяч световых лет в центральной части нашей Галактики, где звезды теснее расположены на небе. Наше Солнце находится на окраине Галактики, примерно в ⅔ пути от центра. Метод микролинзирования в целом дал к настоящему времени около 30 открытий планет, причем самая дальняя из них находится на расстоянии около 25 000 световых лет.

Spitzer благодаря своей удаленной орбите в настоящее время находится примерно в 207 миллионах километров от Земли. Он дальше от Земли, чем Земля от Солнца. Из-за большого расстояния между телескопом на Земле и телескопом Spitzer одно и то же событие микролинзирования они видят не одновременно, а с небольшой разницей во времени. Это позволяет своеобразным методом параллакса определять расстояние до наблюдаемого объекта. Такой вариант этого метода использован впервые и позволил измерить очень большое расстояние.

Большие ранние галактики

Spitzer внес вклад в изучение самых ранних из когда-либо изученных галактик. Свет от них идет к Земле миллиарды лет, и ученые видят, какими эти галактики были в далеком прошлом. Самые отдаленные, которые наблюдал Spitzer, излучили свой свет около 13,4 миллиарда лет назад — менее чем через 400 миллионов лет после рождения Вселенной.

Одним из самых удивительных открытий в этой области было обнаружение больших ранних галактик. Две из крупнейших обсерваторий NASA — космические телескопы Spitzer и Hubble — объединились, чтобы «взвесить» звезды в нескольких отдаленных галактиках. Одна из них, названная HUDF-JD2, кажется необычайно массивной и зрелой для своего места в молодой Вселенной. Считалось, что современные крупные галактики, такие как Млечный Путь, образовались в результате постепенного слияния меньших. Но открытие HUDF-JD2 показало, что массивные звездные системы существовали уже в начале истории Вселенной.

Галактика HUDF-JD2 была обнаружена на инфракрасных снимках телескопа Hubble на небольшом клочке неба, называемом сверхглубоким полем Хаббла (Hubble Ultra Deep Field). Обнаружившие ее ученые ожидали, что она будет молодой и маленькой, как и другие известные галактики на подобных расстояниях. Большим сюрпризом для астрономов стало то, насколько ярче выглядит эта галактика на длинноволновых инфракрасных снимках космического телескопа Spitzer, который обычно чувствителен к свету более старых, более красных звезд, из которых в основном состоит галактика. Поэтому инфракрасная яркость галактики HUDF-JD2 говорит о том, насколько она массивна.