Проблема космического загрязнения на примере далекой галактики GN-z11

История ранней Вселенной интересует человечество больше всего, ведь именно в эту эпоху образовался тот космос, который существует и поныне. Считается, что данный этап длился около миллиарда лет, и за это время от Большого взрыва Вселенная успела сформироваться до нитей галактик, минув рождение и смерть первых звезд, появление 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 от которого шел к нам долгие годы. Чем дальше мы заглядываем во Вселенную, тем больше узнаем о ней нового, необходимого для объяснения природы и ее прогнозирования.

1980-е годы ознаменованы началом ознакомления с летописью Вселенной. Теория Большого взрыва на тот момент не позволяла узнать течение эволюции Вселенной, момент появления первых звезд и галактик. Это стало возможным лишь с запуском телескопа им. Хаббла, что сумел наблюдать объекты на больших красных смещениях, соответствующих ранним эпохам Вселенной. Писать историю пришлось нам, причем, наблюдая за событиями воочию. Это настолько же удивительно, как, например, смотреть через телескоп за основанием Руси, произошедшим более тысячи лет назад. Эмпирическим путем находились все более старые галактики молодой Вселенной, обрисовывалась картина формирования мира в первые миллиарды лет его существования. Появились первые предположения по распределению эпох во Вселенной: формирование физических законов в первые доли секунд после Большого взрыва, первичный нуклеосинтез, отделение вещества от излучения и образование космического микроволнового фона, появление первых звезд и галактик. Все это стало возможно благодаря обнаружению последних на z ~ 7-8, соответствующих 600-700 млн лет после Большого взрыва. Уже к тому моменту сформировались скопления галактик, сами галактики с большим звездным населением. Нам хотелось найти еще более старые, только зарождающиеся галактики.

Это стало возможно благодаря обновлению аппаратуры телескопа им. Хаббл, который в связке со Спейс Шаттлом представлял конструктор со сменными инструментами: еще в начале 90-х ему таким образом поставили «очки»‎ (COSTAR), в 2009 году, в ходе последней обслуживающей миссии, ему установили новые «глаза»‎ WFC3 (Wide Field Camera 3), наблюдающие за небом в ближнем ИК- и среднем УФ- диапазонах. Камера имеет фантастическое разрешение 0,04 угловые секунды, что позволяет зарегистрировать даже самые крохотные объекты, попавшие в кадр. За 12 лет работы с новым оборудованием телескопу удалось обнаружить более 1000 галактик, облик которых соответствует молодой Вселенной. Так и сегодняшний кандидат в галактики, GN-z11, обнаруженный в 2016 году, был обнаружен на красном смещении z = 11,1 (около 32 млрд световых лет), что соответствует возрасту Вселенной всего 400 млн лет. Это самый далекий объект, что удавалось найти.

Галактика находится в Большой Медведице, ее диаметр составляет примерно 4000 световых лет, что в 25 раз меньше диаметра Млечного Пути. Оценка красного смещения GN-z11 соответствует расстоянию в 13,4 млрд световых лет от места излучения, в настоящий момент галактика (если она еще существует) находится на расстоянии 32 млрд световых лет. Удаляется от нас она на скорости 295 000 км/с, 98% от скорости света! Звездообразование в ней оценивается активным, в 20 раз превышающим звездообразование во Млечном Пути. Это делает ее в три раза более яркой, чем другие галактики на z ~ 6-8. Повышенный интерес к находке объясняется тем, что мы видим галактику такой, какой она была в эпоху реионизации, происходящей через 550-800 млн лет после Большого взрыва. GN-z11 обнаружила в марте 2016 года международная группа астрономов (Oesch et al.) в ходе обзоров CANDELS/GOODS-N, проводящих поиск объектов, существовавших в Темные века.

По мере расширения Вселенной наступил такой момент, когда она охладилась до температуры, позволившей веществу отделиться от излучения (380 000 лет после БВ, образование CMB). Настала эпоха рекомбинации, электроны и протоны сумели сформироваться в атомы водорода и гелия. Вселенная стала прозрачной. Тогда она хоть и была анизотропной на малых масштабах, ее однородность была выше, чем сейчас, потому требовалось больше времени для фрагментации вещества и его скучивания в сгустки. Плазмы в то время уже не было, а первые звезды еще не появились — данный этап жизни Вселенной называют Темными веками, так как во Вселенной тогда не существовало фотонов. Именно в Темные века, длившиеся более 150 млн лет, путем конденсации нейтрального газа сформировались первые звезды, галактики и квазары. Ультрафиолетовое излучение мощнейших квазаров осветило Вселенную, а при попадании их фотона на атом водорода происходило возбуждение и отрыв от ядра электрона, ионизируя атом. При этом свободный электрон так и оставался свободным, не находя себе пары для создания стабильного атома — таким образом средняя плотность вещества стремительно падала, образовывалась плазма, что в совокупности ускоряло процесс коллапса вещества и создания звезд и галактик. Время, в ходе которого мощное гамма-излучение ионизировало водород и подготовило Вселенную к образованию крупномасштабных структур, называют эпохой реионизации. Оно длилось с 550 до 800 млн лет после БВ. Изучение объектов, существовавших в эпоху реионизации, помогает уточнить природу образования галактик, так как до сих пор нет единого мнения на счет того, как эти самые галактики образуются.

Но вернемся к GN-z11: нашли далекую галактику, но стоит ли радоваться? 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 GN-z11-flash (ультрафиолетовая вспышка в одноименной галактике), обусловленный гамма-всплеском или взрывной волной сверхновой III популяции; в этом же году выходит несколько работ, где авторы высказывают свои идеи по поводу происхождения «кандидата в галактики»‎:

• «The GN-z11 flash event can be a satellite glint»‎, Nir et al. (препринт, arXiv.org: 2102.04466);
• «GN-z11-flash was a signal from a man-made satellite not a gamma-ray burst at redshift 11»‎, Michalowski et al. (препринт, arXiv.org: 2102.13164).

Рассмотрим основные тезисы этих двух работ:

• GN-z11 может представлять собой отражение высокоорбитального спутника;
• Обнаруженная в 2020 году гамма-вспышка в GN-z11 представляет собой еще одно подтверждение того, что этот объект — не галактика. Кратковременные гамма-вспышки свойственны не космическим объектам, а вращающимся телам по типу спутников. В качестве доказательства приводится также тот факт, что угловые размеры галактики соответствуют размерам типичных вспышек-отражений от рукотворных космических тел;
• Вспышкой якобы GN-z11 стал обломок спутника «Бриз-М», у которого было похожее местоположение. То есть причиной обнаружения GN-z11 является космический мусор.

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 небольшую площадь 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 H I и молекулярного водорода H2. 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.

Прим.: часть текста об эмиссионных линиях спектра из исследования [1] приводится в конце статьи перед библиографическим списком.

Все работы об GN-z11 опубликованы в уважаемых изданиях (Nature Astronomy, The Astrophysical Journal), где они смогли пройти строгое рецензирование. Потому результаты работы были пропущены к публикации. Является ли это халатностью редакции — неизвестно. Известно лишь то, что пока нельзя дать точного ответа на вопрос о том, что представляет из себя GN-z11. Какой бы исход этой истории ни был, уже сейчас понятно, насколько опасна проблема загрязнения космического пространства. Как я сказал, по этой причине регистрируется огромное количество ложных вспышек, на фоне которых действительные события могут быть проигнорированы. Проблема даже не в том, что мусора много, а в том, сколько на околоземной орбите находится незарегистрированных и неотслеживаемых объектов — и военных спутников, и случайных обломков (даже маленький кусочек фольги!). Хочется надеяться, что большинство объектов, обнаруженных на z > 10, действительно являются таковыми.

Приложение

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.

— Jiang et al., arXiv.org: 2012.06936.

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 SatelliteGlint. –– 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.