Ранее считалось, что процесс реионизации начался примерно через 600-800 миллионов лет после Большого взрыва. Однако излучение древнейших галактик, обнаруженных с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», ставит под сомнение эти даты, указывая на то, что процесс начался гораздо раньше.

Ученые фокусируются на спектральных линиях водорода, особенно на линии Лайман-альфа. Под действием сильного ультрафиолетового излучения звезд водород переходит в возбужденное состояние, а при возвращении в нейтральное состояние излучает на линии Лайман-альфа. Когда почти весь водород ионизирован, Лайман-альфа излучение не поглощается соседними молекулами и доходит до нас. Это указывает на то, что первичный источник ионизирующего излучения был достаточно мощным.

Астрономы нашли линию Лайман-альфа в спектре излучения галактики JADES-GS-z13-1-LA (красное смещение 13,0), что соответствует времени примерно через 332 миллиона лет после Большого взрыва. Наличие линии указывает на то, что этот объект — активный «производитель» ионизирующих фотонов. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Компьютерное моделирование показало, что JADES-GS-z13-1-LA наполнена молодыми звездами с низким содержанием тяжелых элементов, которые могут быть источником ионизирующего излучения. Однако более вероятно, что ионизирующее излучение идет от сверхмассивной черной дыры в центре галактики. Эффективный радиус JADES-GS-z13-1-LA составляет примерно 114 световых лет, что меньше, чем у других древних галактик. Это указывает на то, что излучение сосредоточено в центре.

По расчетам авторов исследования, галактика образовала вокруг себя «пузырь» ионизированного межгалактического газа радиусом приблизительно 650 тысяч световых лет. JADES-GS-z13-1-LA — доказательство того, что реионизация Вселенной началась всего через 330 миллионов лет после Большого взрыва.

Впервые телескоп NASA «Джеймс Уэбб» запечатлел яркую аворальную активность на Нептуне. Авроры возникают, когда энергетические частицы, зачастую исходящие от Солнца, проникают в магнитное поле планеты и в конечном итоге сталкиваются с верхними слоями атмосферы. Энергия, высвобождаемая в ходе этих столкновений, создает характерное свечение.

Ранее астрономы наблюдали интригующие намеки на аворальную активность на Нептуне, например, во время пролета NASA «Вояджер 2» в 1989 году. Однако визуализация и подтверждение аврор на Нептуне долгое время оставались вне досягаемости астрономов, несмотря на успешные открытия на Юпитере, Сатурне и Уране. Нептун представлял собой недостающее звено в загадочной цепи обнаружения аврор на гигантских планетах нашей солнечной системы.

«Оказалось, что фактическая визуализация аворальной активности на Нептуне стала возможной лишь благодаря ближнему инфракрасному спектру Уэбба», — отметил ведущий автор исследования Хенрик Мелин из Университета Нортумбрии, проводивший свои исследования в Университете Лестера. «Это было поразительно — не только увидеть авроры, но и детали, а также четкость этого сигнала действительно поразили меня». Результаты работы команды были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Данные были собраны в июне 2023 года с использованием ближнего инфракрасного спектрографа Уэбба. В дополнение к изображению планеты астрономы получили спектр, который позволил охарактеризовать состав и измерить температуру верхней атмосферы планеты (ионосферы). Впервые они обнаружили чрезвычайно яркую эмиссионную линию, указывающую на наличие трио-водородного катиона (H3+), который может образовываться в аврорах. На изображениях Нептуна, полученных с помощью Уэбба, светящаяся аврора предстает в виде пятен, окрашенных в циановый цвет.

«H3+ является четким индикатором аворальной активности на всех газовых гигантах — Юпитере, Сатурне и Уране. Мы ожидали увидеть то же самое на Нептуне, когда на протяжении многих лет исследовали планету с помощью лучших наземных обсерваторий», — объяснила Хайди Хаммел из Ассоциации университетов по исследованию астрономии, междисциплинарный ученый Уэбба и руководитель программы гарантированных наблюдений, в рамках которой были получены данные. «Только с помощью такого инструмента, как Уэбб, мы наконец смогли подтвердить это».

Аворальная активность, наблюдаемая на Нептуне, также заметно отличается от того, что мы привыкли видеть на Земле или даже на Юпитере и Сатурне. Вместо того чтобы сосредотачиваться на северных и южных полюсах планеты, авроры Нептуна располагаются в географических средних широтах — представьте себе, где находится Южная Америка на нашей планете.

Это связано с необычной природой магнитного поля Нептуна, впервые открытого «Вояджером 2» в 1989 году, которое наклонено на 47 градусов относительно оси вращения планеты. Аворальная активность возникает в тех местах, где магнитные поля взаимодействуют с атмосферой, и, как следствие, авроры Нептуна располагаются далеко от его вращательных полюсов.

Прорывное открытие северного сияния на Нептуне предоставляет уникальную возможность глубже понять, как магнитное поле этой планеты взаимодействует с частицами, исходящими от Солнца и достигающими удаленных уголков нашей солнечной системы, открывая совершенно новое окно в изучение атмосферы ледяных гигантов.

Согласно наблюдениям, проведённым с помощью телескопа «Джеймс Уэбб», команда астрономов впервые измерила температуру верхней атмосферы Нептуна с момента пролета «Вояджера 2». Полученные результаты проливают свет на причины, по которым авроры Нептуна оставались скрытыми от астрономов столь продолжительное время.

«Я был поражён — верхняя атмосфера Нептуна охладилась на несколько сотен градусов», — отметил Мелин. «На самом деле, температура в 2023 году составила чуть более половины от той, что была в 1989 году».

На протяжении многих лет астрономы предсказывали интенсивность аврор Нептуна, основываясь на температурных данных, полученных «Вояджером 2». Значительное снижение температуры приводит к гораздо более тусклым северным сияниям. Это резкое охлаждение, вероятно, объясняет, почему авроры Нептуна оставались недоступными для наблюдения так долго. Кроме того, оно указывает на то, что данная область атмосферы может значительно изменяться, несмотря на то что планета находится более чем в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля.

Обладая этими новыми данными, астрономы теперь надеются изучать Нептун с помощью телескопа «Уэбб» на протяжении полного солнечного цикла — 11-летнего периода активности, вызванного магнитным полем Солнца. Полученные результаты могут дать ценное представление о происхождении странного магнитного поля Нептуна и даже объяснить, почему оно так сильно наклонено.

«Когда мы смотрим в будущее и мечтаем о новых миссиях к Урану и Нептуну, мы понимаем, насколько важно иметь инструменты, настроенные на длины волн инфракрасного света, чтобы продолжать изучать авроры», — добавила Ли Флетчер из Университета Лестера, соавтор статьи. «Этот обсерваторий наконец открыл окно в эту ранее скрытую ионосферу гигантских планет». Наблюдения, возглавляемые Флетчер, были проведены в рамках программы гарантированных наблюдений Хаммела под номером 1249.

На расстоянии чуть более четырех световых лет Проксима Центавра является нашим ближайшим звездным соседом и известна своей высокой активностью как звезда типа M. Ее вспышечная активность хорошо известна астрономам, использующим видимые длины волн света, но новое исследование, проведенное с использованием наблюдений с помощью массива Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), подчеркивает экстремальную активность этой звезды в радиодиапазоне и миллиметровых длинах волн, предлагая захватывающие идеи о частичной природе этих вспышек, а также потенциальные последствия для возможности жизни на ее землеподобных планетах в обитаемой зоне.

Известная тем, что может иметь потенциально обитаемую планету, звезда Проксима Центавра демонстрирует высокую активность вспышек в оптическом диапазоне. Подобно вспышкам на нашем Солнце, эти выбросы высвобождают световую энергию по всему электромагнитному спектру, а также выбросы частиц, известных как звездные энергетические частицы. В зависимости от энергии и частоты этих вспышек близлежащие планеты в обитаемой зоне могут стать необитаемыми, поскольку вспышки срывают атмосферу планет, лишая их необходимых компонентов, таких как озон и вода.

Команда астрономов, возглавляемая Кьяной Бёртон из Университета Колорадо и Мередит MacGregor из Университета Джонса Хопкинса, использовала архивные данные и новые наблюдения ALMA для изучения вспышечной активности Проксима Центавра в миллиметровом диапазоне. Их исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal.

Небольшой размер Проксима Центавра и сильное магнитное поле указывают на то, что ее внутренняя структура, вероятно, полностью конвективная, в отличие от Солнца, которое имеет как конвективные, так и не конвективные слои. В результате звезда намного более активна. Ее магнитные поля закручиваются, развивают напряжение и в конечном итоге разрываются, отправляя потоки энергии и частиц наружу в том, что астрономы наблюдают как вспышки.

MacGregor резюмировала основной вопрос исследования: "Активность нашего Солнца не удаляет атмосферу Земли и вместо этого вызывает красивые полярные сияния, потому что у нас есть толстая атмосфера и сильное магнитное поле, защищающее нашу планету. Но вспышки Проксимы Центавра гораздо мощнее, и мы знаем, что у нее есть скалистые планеты в обитаемой зоне.

"Что эти вспышки делают с их атмосферами? Есть ли такой большой поток радиации и частиц, что атмосфера химически модифицируется или, возможно, полностью выдувается?"

Это исследование представляет собой первое многоволновое исследование с использованием миллиметровых наблюдений, чтобы открыть новый взгляд на физику вспышек. Объединив 50 часов наблюдений ALMA с использованием как полного 12-метрового массива, так и 7-ми метрового массива Атакама, было зарегистрировано всего 463 события вспышек с энергиями от 10^24 до 10^27 эрг. Сами вспышки были короткими событиями, продолжительностью от 3 до 16 секунд.

"Когда мы видим вспышки с ALMA, то, что мы видим, — это электромагнитное излучение — свет в различных длинах волн. Но, заглядывая глубже, это рентгеновское излучение радиодиапазона также дает нам возможность проследить свойства этих частиц и понять, что именно выбрасывается из звезды", — говорит MacGregor

Для этого астрономы характеризуют так называемое распределение частоты вспышек звезды, чтобы составить карту количества вспышек в зависимости от их энергии. Обычно наклон этого распределения следует закону степени: меньшие (менее энергичные) вспышки происходят чаще, в то время как более крупные, более энергичные вспышки происходят реже.

Проксима Центавра испытывает такое количество вспышек, что команда смогла зафиксировать множество вспышек в каждой энергетической области. Более того, команде удалось количественно оценить асимметрию самых высокоэнергетических вспышек звезды, описав, как фаза затухания вспышек была значительно длиннее, чем фаза начального всплеска.

Наблюдения в радиодиапазоне и миллиметровых длинах волн помогают установить ограничения на энергии, связанные с этими вспышками, и их соответствующими частицами. MacGregor подчеркнула ключевую роль ALMA: "Миллиметровые вспышки, похоже, происходят гораздо чаще — это другой закон степени, чем тот, который мы наблюдаем в оптическом диапазоне. Поэтому, если мы смотрим только в оптическом диапазоне, мы упускаем критически важную информацию. ALMA — единственный миллиметровый интерферометр, достаточно чувствительный для этих измерений."