Международная команда ученых использовала короткую, но очень яркую гамма-вспышку для изучения сильно удаленных, а значит, очень молодых, галактик. Наблюдения проводились в первую очередь Очень большим телескопом Европейской южной обсерватории. Астрономы нашли две галактики, существовавшие на раннем этапе развития Вселенной, но имевшие больше тяжелых химических элементов, чем Солнце. Вполне возможно, что эти две галактики наблюдались в процессе их столкновения. Именно в ходе таких событий в молодой Вселенной происходили гамма-вспышки, а также образование большого количества новых звезд.

Гамма-всплески – самые яркие выбросы энергии во Вселенной. Если такие вспышки длятся более двух секунд, их считают длинными. В описываемой работе наблюдалась длинная вспышка, которая обычно наблюдается при взрыве сверхновой молодой массивной звезды. Природа же коротких вспышек пока неизвестна, но принято считать, что они происходят при слиянии двух небольших объектов, например, нейтронных звезд.

Сначала гамма-вспышка была засечена космическими телескопами. Однако, их мощности недостаточно для изучения, поэтому их данные используются для наведения наземных телескопов. Они, кроме гамма-излучения, могут наблюдать видимое и инфракрасное послесвечение, которое исходит из точки вспышки в последующие за самой вспышкой часы и дни. Первый гамма-всплеск, обозначенный GRB 090323 (название отражает дату регистрации, 23 марта 2009 года), был замечен космическим телескопом гамма-диапазона Ферми. Вскоре за этим он был зарегистрирован рентгеновским датчиком на зонде NASA Swift и системой GROND 2.2-метрового телескопа MPG Европейской южной обсерватории в Чили. И лишь после этого, всего через день после регистрации вспышки в космосе, всплеск был изучен во всех деталях Очень большим телескопом.

Наблюдения, проведенные с помощью Очень большого телескопа показывают, что мощная гамма-вспышка прошла сквозь галактику, в которой она образовалась, и еще через одну галактику, расположенную неподалеку. Мы наблюдаем эти галактики такими, какими они были около 12 миллиардов лет назад (красное смещение галактик – 3.57, то есть мы видим их состояние спустя 1.8 миллиардов лет после Большого взрыва). Такие далекие и молодые галактики редко производят гамма-всплески.

«Когда мы изучали излучение от этой гамма-вспышки, мы не знали, что сможем обнаружить. Для нас оказалось совершенной неожиданностью, что химический состав холодного газа в двух галактиках молодой Вселенной, оказался таким необычным, – говорит Сандра Савальо из Института внеземной физики им. Макса Планка, первый автор статьи, посвященной наблюдениям. – В них больше тяжелых химических элементов, чем ранее наблюдалось в галактиках, находящихся на такой ранней фазе развития Вселенной. Мы не думали, что Вселенная окажется такой химически сложной, рано сформировавшейся».

При прохождении света гамма-всплеска сквозь галактики, их межзвездный газ действовал как фильтр, поглощая часть света на определенных длинах волн. Если бы не гамма-всплеск, эти тусклые галактики остались бы невидимыми. Изучая спектральные особенности различных химических элементов в наблюдаемом свете вспышки, ученые смогли определить состав холодного газа в галактиках молодой Вселенной, и установить, насколько много в них было тяжелых элементов.

В настоящее время принято считать, что в галактиках молодой Вселенной содержится меньше тяжелых химических элементов, чем в галактиках современной Вселенной, например, в Млечном Пути. Тяжелые элементы создаются в процессе эволюции звезд, в ходе которого газ в галактиках постепенно обогащается тяжелыми элементами. Вещество же, образовавшееся в ходе Большого взрыва 13.7 миллиардов лет назад, состояло практически исключительно из водорода и гелия (и небольшой примеси более тяжелых элементов, например, лития). Тяжелые элементы, такие как кислород, азот и углерод, образовалось позже в ходе термоядерных реакций внутри звезд. А по мере смерти этих звезд созданное ими вещество выбрасывалось в галактики, обогащая их тяжелыми элементами. Поэтому считается, что количество тяжелых элементов в галактиках постепенно растет по мере старения Вселенной, а значит, и самих галактик.

Это использовалось астрофизиками для определения степени эволюции галактик. Чем больше тяжелых элементов, тем старее галактика. Но новые наблюдения открывают ученым галактики, которые менее через два миллиарда лет после Большого Взрыва уже были очень богаты тяжелыми элементами. Это революционный результат.

Чтобы межзвездный газа в этой удивительной паре молодых галактик обогащался тяжелыми элементами так быстро, они должны были характеризоваться невероятно мощным звездообразованием. Но так как эти галактики расположены очень близко друг от друга, они могут находиться в столкновении, а это, в свою очередь, ведет к активному звездообразованию. Вместе с тем, гамма-вспышки также характерны для регионов активного звездообразования, так что результаты данного исследования могут служить дополнительным подтверждением этой гипотезы.

Возможно, в таких галактиках особенно энергичное звездообразование завершается еще на раннем этапе развития Вселенной. В этом случае спустя двенадцать миллиардов лет, сегодня, в таких проэволюционировавших галактиках должно быть большое количество звездных останков, таких как черные дыры и холодные карлики. Эти замолчавшие, темные и не излучающие галактики – лишь слабые тени того, чем они были в эпоху своей блестящей юности с активным звездообразованием. Обнаружение таких галактик может оказаться очень сложной задачей.

«Нам сильно повезло, что мы наблюдали вспышку GRB 090323 еще тогда, когда послесвечение всплеска было достаточно ярким, и можно было провести детальные наблюдения с Очень большим телескопом. Свет гамма-всплесков в видимом диапазоне затухает быстро, и успеть провести качественные наблюдения очень трудно. В будущем, когда у нас появятся гораздо более мощные инструменты, мы надеемся снова увидеть эти галактики, они станут прекрасной мишенью для Чрезвычайно большого телескопа» – заключает Савальо.