В южното съзвездие Пещ има малък участък от небето, който на пръв поглед не се отличава с нищо особено. Вероятно сте поглеждали към него стотици пъти, без дори да се замислите.

И все пак това наглед незабележително кътче от Космоса е сред най-подробно изследваните области на небето. Космическият телескоп „Хъбъл“ го е наблюдавал в продължение на повече от 270 часа, за да създаде прочутото изображение „Ултрадълбоко поле на Хъбъл“ (Hubble Ultra Deep Field, HUDF). На него се виждат близо 10 000 галактики, отдалечени от нас на милиарди светлинни години.

Затова, когато космическият телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST) пое по своя път в Космоса, беше съвсем естествено учените да насочат златните му огледала към същата област. Благодарение на несравнимо по-високата си чувствителност към инфрачервеното лъчение той можеше да открие онова, което „Хъбъл“ не е успял да види. Способността на „Джеймс Уеб“ да надниква в области, останали недостъпни за предишните телескопи, вече доведе до редица забележителни открития.

Сега се оказва, че дори участък от Космоса, който астрономите изучават от десетилетия, все още е способен да ги изненада.

В едно съвсем малко кътче от това и бездруго ограничено зрително поле „Джеймс Уеб“ регистрира необичаен сигнал – при това не веднъж, а два пъти, в наблюдения, проведени през близо три месеца.

Има обаче един съществен проблем. При всички предишни наблюдения както на „Джеймс Уеб“, така и на „Хъбъл“, на това място не се вижда абсолютно нищо.

Разбира се, това не означава непременно, че там няма никакъв обект. Възможно е той да е толкова слаб, че обикновено да остава незабележим, но в определен момент да е породил мощно краткотрайно излъчване. Какъвто и да е случаят, засега учените не разполагат с убедително обяснение за загадъчния сигнал.

Ултрадълбокото поле на „Хъбъл“. Източник: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) и екипът на HUDF.

Как астрономите разчитат светлината от далечния Космос?

За да разберем защо това откритие е толкова необичайно, първо трябва да се запознаем с начина, по който астрономите изследват Вселената.

Когато наблюдаваме небето с оптичен телескоп, виждаме изображение, получено от светлината, която огледалото му е събрало. На същия принцип е създадено и Ултрадълбокото поле на „Хъбъл“ – то обединява множество изображения, заснети през различни филтри, всеки от които пропуска определен диапазон от дължини на вълните.

Някои телескопи обаче могат да направят и нещо повече – да разложат светлината на съставните ѝ дължини на вълните. Представете си призма, която разделя бялата светлина на цветовете на дъгата, само че с много по-голяма точност.

Така стават видими особености на светлината, които трудно бихме различили в изображение, съставено от данни в различни диапазони на спектъра.

Да вземем например Слънцето. Ако разглеждаме цялата светлина, която то излъчва, тя ни изглежда бяла. Но когато я разложим на спектър, се появяват тъмни линии. Те съответстват на определени дължини на вълните, погълнати от атомите в слънчевата атмосфера.

При други космически обекти се наблюдава обратното – ярки линии, които възникват, когато атоми или молекули освобождават енергия под формата на светлина с определена дължина на вълната. Те се наричат емисионни линии.

За да откриват и анализират тези линии на поглъщане и излъчване, астрономите използват метод, наречен спектроскопия. Той им позволява да определят химичния състав на космическите обекти и да научават повече за техните физични характеристики.

Нов подход в търсенето на невидими космически обекти

Астрофизикът Мейсън Хюбърти от Университета на Минесота и колегите му решили да приложат този метод по малко по-различен начин.

Вместо да използват спектроскопията, за да изследват вече познати обекти, те искали да проверят дали близкоинфрачервеният спектрограф NIRSpec на „Джеймс Уеб“ може да послужи за откриване на обекти, които досега са оставали незабелязани.

Обикновено астрономите първо набелязват обекти въз основа на предишни наблюдения. След това настройват миниатюрните затвори на инструмента така, че светлината от избраните цели да попадне в спектрографа. Методът е изключително полезен, но има едно важно ограничение – трябва предварително да знаете къде се намира обектът, който искате да изследвате.

Хюбърти и екипът му решили да обърнат този подход.

Те отворили почти всички затвори на спектрографа, като оставили затворени само онези, зад които се намирали вече известни обекти на преден план, установени при предишни наблюдения с „Хъбъл“. Целта била светлината от тях да не повлияе на спектрите, които учените възнамерявали да анализират.

След това разложили събраната светлина на спектри и потърсили емисионни линии в получените данни.

Експериментът бил проведен два пъти – през август и ноември 2023 г., с интервал от 88 дни между наблюденията. От особено значение било, че телескопът наблюдавал областта под различни ъгли. Това позволявало да се провери дали засечените сигнали не са резултат от смущения, технически грешки или артефакти в изображенията.

Учените се надявали по този начин да открият слаби и далечни обекти, останали извън обсега на традиционните наблюдения. За целта използвали техника, известна като Multiobject Coronagraphy for Slitless Spectroscopy (MOCSS) – многообектна коронография за безцепкова спектроскопия.

Ултрадълбокото поле на „Хъбъл“ било идеалното място за подобен експеримент. Благодарение на огромното количество данни, събирани през годините, изследователите можели лесно да сравняват новите резултати с наблюденията на вече известни галактики. Подобни проучвания, включително на взаимодействията между далечни галактики, разширяват познанията ни за процесите, които протичат във Вселената.

И експериментът дал резултат. Шест от регистрираните сигнали, които отговаряли на строгите критерии на учените, били успешно свързани с далечни галактики от Ултрадълбокото поле на „Хъбъл“.

Седмият обаче се оказал загадка.

Седмият сигнал: ярка линия там, където не би трябвало да има нищо

Той представлявал единична ярка линия, регистрирана и при двете наблюдения в близкия инфрачервен диапазон, при дължина на вълната около 1,6 микрометра.

Само по себе си това не е нещо необичайно. Излъчването в близката инфрачервена област на спектъра е широко разпространено във Вселената.

Странното било, че линията се появявала съвсем самостоятелно – без нито една друга емисионна линия, която да я съпътства. Нещо повече, при всички предишни наблюдения с „Хъбъл“ и „Джеймс Уеб“ в същата област от Космоса не бил забелязан никакъв обект.

Изображение от „Джеймс Уеб“ на областта, в която е открита мистериозната емисионна линия. Цветните правоъгълници показват разположението на затворите на спектрографа при четири серии наблюдения, а розовите кръгове обозначават три близки галактики. В центъра на правоъгълниците, където е регистриран сигналът, не се вижда никакъв източник. Източник: Huberty et al., ApJ, 2026.

Не било лесно откритието да се обясни и с техническа грешка. Сигналът присъствал и в четирите серии от комбинирани експозиции, получени при двете различни ориентации на телескопа, с интервал от 88 дни между тях. При това всички измервания били съгласувани помежду си.

Но най-озадачаващото било друго.

Емисионната линия била достатъчно ярка, за да се появи и на по-ранните изображения, заснети от „Джеймс Уеб“.

Ако сигналът е съществувал по време на наблюденията по програмата JADES през октомври 2022 г., телескопът не би могъл да го пропусне.

Това навежда учените на една особено интересна мисъл – възможно е тогава сигналът изобщо да не е съществувал.

Разбира се, Космосът неведнъж е изненадвал астрономите с явления, които трудно се поддават на обяснение. Сред тях е и мистериозен радиосигнал от далечна галактика, който се повтаря на всеки 157 дни. Той обаче е от различно естество и не бива да се бърка с новооткритата инфрачервена емисионна линия.

Защо една-единствена линия не е достатъчна, за да разберем произхода на сигнала?

Определянето на произхода на единична емисионна линия е изключително трудно, особено когато не знаем на какво разстояние се намира нейният източник.

Причината е в разширяването на Вселената. Докато светлината пътува през разширяващото се пространство, дължината на вълните ѝ се увеличава и те се изместват към червената област на спектъра. Това явление е известно като червено отместване (redshift).

Затова един инфрачервен фотон може първоначално да е бил част от високоенергийно излъчване, което е изминало огромно разстояние до нас. Но може и да е светлина с по-ниска енергия, идваща от значително по-близък обект.

Само по дължината на вълната няма как да се установи кой от двата случая е верен, нито какъв физичен процес е породил излъчването. За това са необходими допълнителни данни.

Учените разглеждат няколко възможни обяснения за загадъчната емисионна линия. Четири хипотези изглеждат най-вероятни, но нито една не успява да обясни напълно наблюдаваното явление.

Четири възможни обяснения – и нито едно убедително

Първата хипотеза е, че сигналът идва от галактика в ранната Вселена.

Тук обаче възникват два сериозни проблема. От една страна, подобно излъчване трудно би преминало през неутралния водород, който е изпълвал Вселената в най-ранните етапи от съществуването ѝ. От друга, сигналът би трябвало да е бил засечен и при наблюденията по програмата JADES.

Втората възможност е източникът да е галактика, образувана на по-късен етап от развитието на Вселената.

Това обаче отново не обяснява защо сигналът липсва в данните от JADES. Освен това подобна галактика би трябвало да излъчва и други емисионни линии, а не само една.

Третата хипотеза е, че учените са уловили следите от свръхнова.

Мощната експлозия на звезда би могла да произведе подобно излъчване. Но и в този случай би трябвало да се появи още една емисионна линия, която наблюденията не са установили.

Четвъртото възможно обяснение е черна дупка, която разкъсва звезда.

Когато звезда се приближи прекалено много до черна дупка, огромните приливни сили могат буквално да я разкъсат. При подобно събитие е възможно да се появи силна емисионна линия, дори без да се наблюдава значително количество друга светлина.

Черните дупки могат да предизвикват изключително мощни изригвания. Астрономите вече са успявали да заснемат например впечатляващата активност на свръхмасивна черна дупка в близка галактика.

Засега обаче липсват достатъчно доказателства, че именно такъв процес стои зад мистериозния сигнал.

Загадката остава: необходими са нови наблюдения

Така учените стигат до един неизбежен извод – необходими са още наблюдения.

„Този обект е изключително необичаен и ни дава възможност да изследваме екстремни физични условия“, пишат авторите на изследването.

„Допълнителните наблюдения са от решаващо значение, за да потвърдим червеното отместване и да установим физичния произход на излъчването... По-задълбочени спектроскопски изследвания с по-висока чувствителност биха могли да разкрият допълнителни емисионни линии и така окончателно да определят червеното отместване и естеството на източника.“

Изследването е публикувано в научното списание The Astrophysical Journal.