Астрономы ликуют от открытий, сделанных космическим телескопом Джеймса Уэбба, касающихся основополагающей эпохи космической истории. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
В молодой Вселенной были обнаружены неожиданно яркие галактики, загадочные маленькие красные точки, удивительно массивные черные дыры и галактики, по форме напоминающие огурцы или грозди винограда.
Галактики никогда не должны были быть такими яркими. Они никогда не должны были быть такими большими. И все же они здесь — удивительно большие, светящиеся объекты, которые продолжают появляться на изображениях, полученных космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST).
Кевин Хайнлайн входит в команду, которая использует телескоп JWST для поиска этих галактик, чья яркость, видимая масса и само существование практически сразу после Большого взрыва являются одними из самых больших сюрпризов трехлетней миссии. И эти открытия породили множество вопросов. В августе Хайнлайн и другие исследователи собрались в Институте теоретической физики Кавли (KITP) в Санта-Барбаре, Калифорния, чтобы обсудить их все.
«Люди говорили: „Ну, Кевин, этого не может быть“, — рассказал он мне. — А наблюдатели отвечали: „Вот что мы видим“, и тогда теоретики могли начать разбираться в этом и экспериментировать».
После первого утра конференции я обнаружил Хайнлайна во внутреннем дворе. Новые открытия, о которых я слышал, казались революционными, возможно, даже меняющими парадигму. Я хотел проверить свою реакцию, поговорив с одним из тех, кто непосредственно занимается этой работой. Действительно ли эти результаты настолько экстраординарны, как мне, журналисту, казалось?
«Мы стоим на пороге истории», — заверил меня Хайнлайн. «Астрономам нужно лучше отмечать открытия».
В Санта-Барбаре так и случилось. За презентациями, полными звёзд, и кружками пива Pacifico, около 100 астрофизиков ликовали по поводу новых открытий о первом миллиарде лет существования Вселенной — эпохе, которую телескоп JWST впервые раскрывает в мельчайших деталях. Они поделились удивительными наблюдениями «маленьких красных точек», которых в изобилии содержатся данные JWST и природа которых до сих пор остаётся неуловимой, а также изображениями других ранних галактик, которые выглядят чрезвычайно синими. Они восхищались необычными формами галактик, включая яркие объекты, которые сливаются в тесные скопления, похожие на грозди винограда, и другие, напоминающие бананы. Люди спорили об огромных чёрных дырах, обнаруженных в те ранние времена, и обстоятельствах их образования.
Желтоватое пятно справа — это JADES-GS-Z14-0, галактика, обнаруженная в данных телескопа JWST в этом году. Это самая ранняя из известных галактик Вселенной, она видна такой, какой она появилась через 300 миллионов лет после Большого взрыва.
Сьюзан Кассин, астроном из Института космических телескопов, показала изображения, полученные предыдущими обсерваториями, в сравнении с данными JWST. Это было похоже на то, как если бы окулист перевернул линзу, чтобы последние линии на таблице для проверки зрения оказались в фокусе. «Спасибо, Уэбб — разница составляет 10 миллиардов долларов», — сказала она. Люди захихикали и закивали.
Телескоп JWST уникален своей способностью наблюдать за молодым космосом, который отдалился от нас далеко в пространстве и времени. Его инфракрасные датчики, сверххолодное расположение в космосе и солнцезащитный экран, блокирующий свет Солнца, Луны и Земли, идеально подходят для обнаружения первых галактик и их звезд. Эти объекты слишком тусклые и находятся на неподходящих длинах волн, чтобы их могли наблюдать предыдущие обсерватории, такие как космический телескоп Хаббл.
Для астрономов здесь царит дружеская атмосфера. Многие доклады на конференции KITP содержали призывы к сотрудничеству и партнерству в мозговом штурме.
«Когда появились первые данные, конкуренция была невероятно высокой. Теперь все сводится к генерации идей», — сказала Кейтлин Кейси из Техасского университета в Остине. «Данные поступают в огромном объеме, и у всех их достаточно».
Астрофизик Рэйчел Сомервилл, соорганизатор встречи, сказала, что научное сообщество изо всех сил пытается осмыслить как данные телескопа JWST, так и их значение. Наблюдатели видят явления, которые не объясняются существующими теориями об эволюции молодого космоса.
«Многие презентации показали, что существует противоречие между теорией и наблюдением», — сказал Фабио Пакуччи из Гарвардского университета, приведя в пример космическое преуменьшение. Чтобы подчеркнуть замешательство астрономов по поводу этого уникального телескопа, переворачивающего наши представления о молодой Вселенной, он показал шутливый слайд: карикатуру на собаку, сидящую за столом и пьющую кофе, в то время как её дом горит, с подписью «Всё в порядке».
Самые большие и самые яркие
Астрономы постоянно упоминали одну из самых значимых галактик, наблюдавшихся до сих пор, — неожиданно яркое пятно света, получившее сухое название JADES-GS-z14-0. Хайнлайн из Университета Аризоны входит в команду, которая обнаружила её с помощью телескопа JWST и подтвердила её расстояние в мае 2024 года. Это самая ранняя из известных галактик, побившая предыдущий рекорд, установленный той же командой в 2023 году.
В момент появления этой галактики звуковые волны от мощного взрыва, положившего начало Вселенной, всё ещё разносились в пустоте. Первые звёзды родились в результате катастрофического бэби-бума, и некоторые из них уже погибли. Тёмные ядра чёрных дыр тоже таились — области пространства, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться наружу. И вот это скопление звёзд, различимое в фильтрах телескопа JWST как нечёткая форма скорпиона. Два инструмента на телескопе JWST смогли определить яркость JADES-GS-z14-0 и её расстояние от Земли. Из-за ускоряющегося расширения Вселенной объекты на больших расстояниях находятся очень далеко в прошлом. Астрономы могут определять их возраст по растяжению их света в более длинные волны, известному как красное смещение. На основе последних измерений было установлено, что галактика находится на красном смещении 14,18, что означает, что мы видим её такой, какой она была через 300 миллионов лет после Большого взрыва — когда Вселенная была примерно на 2% моложе своего нынешнего возраста.
Кевин Хайнлайн из Университета Аризоны входит в состав группы, которая использует космический телескоп Джеймса Уэбба для поиска и характеристики галактик на высоких красных смещениях.
Первоначально астрономы предполагали, что такие огромные, яркие объекты на столь ранних этапах развития Вселенной противоречат господствующей теоретической модели космоса. Но сейчас к этому утверждению относятся смягчившимися. Наша лучшая модель Вселенной — набор уравнений, описывающих эволюцию материи и излучения, а также темной энергии и темной материи, — еще не устарела.
«В первые годы работы телескопа JWST было много сенсаций», — сказала Элис Шапли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «В этом нет необходимости. Данные настолько прекрасны; давайте просто изучать Вселенную, которая у нас есть».
Астрофизики сходятся во мнении относительно трех теорий, объясняющих, как галактики так быстро стали такими яркими. Одна из них утверждает, что звезды на заре космоса сильно отличались от современных. Например, звезды в JADES-GS-z14-0 могут быть сверхъяркими, но на самом деле не очень массивными. Хотя это кажется правдоподобным, это также создает сложности для теоретических моделей. Корреляция между яркостью звезды и ее массой является ключевым параметром, вводимым в компьютерные симуляции. Если бы этот параметр — известный как начальная функция масс, или IMF — был другим в ранней Вселенной, то исследователям пришлось бы переписать свои симуляции, чтобы учесть IMF, изменяющуюся со временем.
Но природе безразличны наши вычислительные проблемы, и изменение МВФ, в принципе, является одним из наиболее логичных способов осмыслить то, что мы видим. «МВФ — это поистине карточный домик, на котором мы строим всё. Есть много оснований полагать, что на очень больших красных смещениях он выглядит совсем иначе», — сказал Кейси.
Другая теория гласит, что в ранних сверхъярких галактиках происходили периоды бурного звездообразования. За 10 или 100 миллионов лет яркость галактик могла меняться в 100 раз по мере того, как звездообразование усиливалось и ослабевало. Это как если бы свеча за несколько секунд превратилась в прожектор. В связи с этим, во время этих периодов активности взрывы сверхновых могли создавать впечатление большей яркости, чем это было бы на самом деле.
Эрика Нельсон, астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере, входит в команду JADES, которая использовала телескоп JWST для обнаружения ярких массивных галактик, существовавших неожиданно рано в космической истории.
Третья теория предполагает, что звездообразование тогда было гораздо эффективнее, чем сейчас. В типичной современной галактике лишь небольшая часть газа превращается в звезды; в Млечном Пути ежегодно образуется от двух до шести звезд размером с Солнце. Но, возможно, малые размеры и компактность ранней Вселенной сделали ее более эффективной фабрикой по производству звезд. Некоторые расчеты показывают почти 100%-ную скорость превращения газа в звезду, что означает быстрое и стремительное рождение звезд, — говорит Пратика Даял из Университета Гронингена в Нидерландах.
Все эти изменения в существующей теории сопровождаются побочными эффектами, такими как изменения в количестве пыли и загадки о том, как улеглись вспышки звездообразования. И это даже не единственные существующие идеи. Андреа Феррара, космолог из Высшей нормальной школы в Пизе, Италия, показал своим коллегам в Санта-Барбаре новую модель, которая пытается объяснить яркие ранние галактики, изменяя количество пыли внутри них, которая обычно блокирует звездный свет. Его модель предполагает, что раньше больше пыли уносилось звездными ветрами. «Уменьшение поглощения пыли — моя любимая гипотеза, хотя я совершенно открыт и для двух других», — сказал он участникам. Но, признал он, его расчеты могут не сработать при красном смещении 14, а это значит, что они могут не подойти для таких галактик, как JADES-GS-z14-0.
«Поэтому, пожалуйста, не открывайте другие галактики», — заключил он, вызвав смех в зале.
Большие чёрные дыры
Теории, связанные со звёздами, — не единственные идеи. Некоторые астрофизики указывают на активные сверхмассивные чёрные дыры, которые, по их словам, могут нагревать окружающий газ и заставлять такие галактики, как JADES-GS-z14-0, казаться чрезвычайно яркими.
В серии статей, опубликованных в мае, команда JADES утверждает, что эта галактика звездная и что ее яркость нельзя объяснить наличием черных дыр. Но у других галактик действительно есть такие темные «ядра». Мы знаем, что сверхмассивные черные дыры массой в сотни миллионов или миллиарды солнечных масс являются центрами современных галактик. А телескоп JWST наблюдает размытый свет от многих ранних галактик, что указывает на то, что их газ также разносится центральной сверхмассивной черной дырой. Как же тогда большие черные дыры туда попали?
С тех пор как существование черных дыр было впервые предсказано как следствие теории гравитации Альберта Эйнштейна, астрофизики представляли себе, как они могут образовываться в результате внутреннего гравитационного коллапса умирающих звезд. Теперь им известно, что космос полон черных дыр, образовавшихся таким образом. Но космологи долгое время пытались понять сверхмассивные черные дыры. Эти черные дыры каким-то образом выросли до достаточно больших размеров и достаточно быстро, чтобы сформировать галактики, образовавшиеся вокруг них. Если бы они начинались как коллапсировавшие звезды, им пришлось бы расти с поразительной скоростью, которая противоречит физическому объяснению.
Наблюдения телескопа JWST и рентгеновской обсерватории Chandra выявили сверхмассивную черную дыру, существовавшую в галактике, получившей название UHZ1, всего через 470 миллионов лет после Большого взрыва. Некоторые астрофизики утверждают, что эта черная дыра, масса которой уже оценивалась в десятки или сотни миллионов солнечных масс, должна была образоваться в результате прямого коллапса огромного газового облака, а не в результате гибели отдельной звезды.
Некоторые космологи начали склоняться к альтернативной теории образования зародышей сверхмассивных черных дыр: черные дыры образовались непосредственно в результате коллапса огромных облаков газа в молодой Вселенной. Этот процесс мог бы привести к появлению гигантских черных дыр, существовавших одновременно с такими галактиками, как JADES-GS-z14-0.
Опять же, есть проблемы. Некоторые из ранних галактик, в которых, по-видимому, находятся сверхмассивные черные дыры, не излучают рентгеновское излучение, что обычно является характерной чертой черных дыр. Возможно, эти черные дыры излучают слишком слабое или слишком сильно затененное рентгеновское излучение, поэтому мы его не видим.
Некоторые сверхмассивные черные дыры действительно излучают большое количество рентгеновских лучей. В 2023 году совместные наблюдения телескопа JWST и рентгеновского телескопа Chandra выявили сверхмассивную черную дыру, образовавшуюся всего через 470 миллионов лет после Большого взрыва, в галактике, обозначенной как UHZ1. Могла ли она образоваться непосредственно в результате коллапса массивных газовых облаков или в результате имплозии гигантской звезды первого поколения? «Для образования черных дыр необходимы либо умеренные росты тяжелых зародышей, либо ускоренный рост легких зародышей», — объяснила Приямвада Натараджан из Йельского университета, которая помогла разработать теорию «тяжелых зародышей».
Приямвада Натараджан, астрофизик из Йельского университета, считает, что наблюдения сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, полученные с помощью телескопа JWST, подтверждают альтернативную теорию их образования.
По словам исследователей, моделисты все еще изучают возможные варианты, но ранняя черная дыра в UHZ1 является огромным ориентиром с точки зрения ее энергии во всем электромагнитном спектре. Это замечание вызвало критику со стороны Джозефа Хеннави из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который усомнился в том, действительно ли энергетическая отдача объекта соответствует его массе.
«На мой взгляд, многие утверждения и, возможно, некоторая путаница возникают из-за того, что мы не имеем представления о болометрической мощности», — сказал он, имея в виду общую выходную мощность объекта. «Я не думаю, что нам нужно верить цифрам, которые приводят люди».
Натараджан возразил, что измерения плотности энергии черной дыры являются лучшими из имеющихся на данный момент и получены с помощью двух независимых методов обнаружения.
«Думаю, для теоретиков еще открыт сезон исследований, но доказательства существования крупных семян накапливаются», — добавила она.
Маленькие красные точки
Телескоп JWST обнаружил новый класс космических объектов. В просторечии их называют «маленькими красными точками» — это знакомый и дружелюбный термин для обозначения чего-то в ранней Вселенной, чего мы никогда не видели ни до, ни после.
Похоже, что LRD — это небольшие красноватые галактики, которые возникли примерно через 600 миллионов лет после Большого взрыва и горели миллиард лет. В современной Вселенной от них нет и следа. На самом деле они красные, а не просто смещены в красную сторону, что может указывать на то, что они либо излучают много красного света, либо заполнены пылью, которая блокирует синие волны и придает объекту красноватый оттенок. Эти маленькие красные точки крошечные, некоторые из них примерно в 100 раз меньше современной Галактики Млечный Путь. И это практически все, что известно о них астрономам, — сказал Пакуччи.
Андрей Кравцов из Чикагского университета заявил, что эти маленькие красные точки — самое крупное открытие телескопа JWST на данный момент. Как теоретик, он сказал, что до встречи мало что о них слышал. Он отметил, что это напомнило ему об открытии квазаров в 1950-х годах — загадочных сверхъярких объектов, которые оказались активными сверхмассивными черными дырами.
Примеры малоизученных маленьких красных точек, обнаруженных телескопом JWST в ранней Вселенной.
«Это очень похоже на то, что происходит сейчас — циркулируют разные идеи, и люди могут спорить», — сказал он. «Через несколько лет все прояснится. Но сейчас очень интересно находиться в этом процессе открытий».
Пока мы с Кравцовым болтали, наши соседи по столу начали обсуждать, почему эти маленькие красные точки так необычны. «Эти объекты вращаются с невероятной скоростью, — сказал мне Дейл Кочевски из Колледжа Колби, — газ в облаках разлетается со скоростью 3000 километров в час. Типичная скорость потока газа составляет около 300 километров в час. Только что-то огромное может разогнать газ до таких скоростей, поэтому некоторые утверждают, что в этих маленьких красных точках находятся вращающиеся сверхмассивные черные дыры».
«Но есть выход», — возразила Эрика Нельсон из Университета Колорадо в Боулдере. В своей презентации она описала, как, если LRD представляют собой действительно плотные, компактные газовые шары, газ может вращаться с такой же скоростью. Она и Кочевски продолжили объяснять мне теории и их слабые стороны.
«Теперь вы видите эту прекрасную неразбериху», — сказал Кравцов.
Космический виноград
Некоторые открытия, казалось, надолго оставались в памяти людей, и создавалось впечатление, будто можно наблюдать, как формируются идеи, когда люди включают результаты своих коллег в свои собственные доклады. Одна из таких презентаций была представлена Сейджи Фудзимото из Техасского университета в Остине, который показал новые работы, демонстрирующие, что яркие массивные галактики могут содержать нечто большее, чем видно в окуляре. Он и его коллеги изучали яркую галактику, которую телескоп JWST запечатлел через 930 миллионов лет после Большого взрыва. Используя гравитационное линзирование, он смог определить, что это не просто один объект, а гроздевидное скопление, состоящее как минимум из 15 отдельных звездообразующих скоплений.
В течение следующих двух дней астрономы обсуждали открытия Фудзимото. Сомервилл задавалась вопросом, состоят ли все галактики с высоким красным смещением из плотных скоплений, подобных этим «виноградным гроздям», и почему компьютерные модели формирования галактик не воспроизводят эти структуры. Плотные скопления могли бы эффективно и быстро производить звезды и ярко светить, поэтому, по ее словам, скопления космических «виноградных гроздей» могли бы многое объяснить о том, как галактики появились на свет. «Нам нужно глубже задуматься над этим», — сказала она, и эта фраза стала характерной чертой всей встречи.
Вирадж Пандья из Колумбийского университета показал, что даже небольшие ранние галактики обладают странными характеристиками. Они имеют необычайно вытянутую форму, а звезды расположены таким образом, что придают галактикам форму сигары или огурца. Пандья описал их как «галактики, сходящие с ума». Этот новый класс галактик в ранней Вселенной не имеет аналогов во Вселенной сегодня.
Телескоп JWST задокументировал множество необычно вытянутых галактик в ранней Вселенной.
Иными словами, в течение первого миллиарда лет существования Вселенной всё было странным. Размер, яркость, масса и форма галактик в тот период — всё это было странным. Чёрные дыры — странные. Эффективность звездообразования — странная; корреляция между яркостью, астрономической мощностью и массой объекта — важная для теоретических моделей — оказалась не такой, как ожидали астрофизики. Наличие маленьких красных точек и цепочек вытянутых галактик — странное явление. Разве всех не сбивает с толку вся эта странность?
Кочевский улыбался, когда я продолжал говорить подобные вещи. Никто не чувствует себя озадаченным, сказал он. Неуверенность и размышления о том, что будет дальше, — в этом и заключается смысл такой инновационной обсерватории, как JWST. «Это и есть наука», — сказал он.
Продолжение следует
Поток данных еще даже не открыт до конца. Телескоп JWST ежедневно передает новые данные, и ожесточенная борьба за время работы телескопа определяет, какие открытия произойдут первыми. Но это ничего не говорит о грядущем поколении наземных телескопов и новых орбитальных телескопах.
Многие с нетерпением ждали возможности объединить измерения JWST с данными космического телескопа Нэнси Грейс Роман, который, как и JWST, будет наблюдать инфракрасное излучение ранней Вселенной для решения космологических вопросов. Roman будет передавать терабайт данных в день. Европейский телескоп «Евклид», запущенный в прошлом году, определит красные смещения галактик, что позволит проводить полезные сравнения с результатами JWST. Также все обсуждали предстоящую работу обсерватории Веры Рубин, запуск которой запланирован на апрель или май 2025 года. Обсерватория Рубин будет фотографировать все небо каждые три дня и полностью изменит астрономию ближнего действия, показав, как звезды эволюционируют изо дня в день. Это невероятно богатое время для изучения звезд.
Ранее летом я беседовал с Джулианом Муньосом из Техасского университета в Остине, который предложил несколько новых теорий о вспышечном звездообразовании, способных объяснить ранние массивные галактики. «Хороших вопросов больше, чем времени», — сказал Муньос.
В рамках исследовательской программы, посвященной зарождению космоса, Муньос и несколько других астрономов провели большую часть лета в KITP до и после того, как я присоединился к ним на четырехдневной конференции. Приезжие ученые живут в предоставленных институтом квартирах и вместе ужинают и гуляют, обсуждая свои идеи. Горы Санта-Инез на северо-востоке, Тихий океан на западе и средиземноморское очарование Санта-Барбары дополняют атмосферу общения. Во время одного из перерывов я заставил себя выйти из затемненного лекционного зала, чтобы осмотреться.
Я направилась к выжженному солнцем побережью Санта-Барбары. Кравцов, который тоже провел здесь все лето, рассказал мне, где находится место обитания снежного ржанка — в 20 минутах ходьбы вдоль пляжа. Я спустилась по обрывам, покрытым инвазивным ледяным растением, суккулентным почвопокровным растением, которое захватило мысы после того, как его завезли в 1950-х годах. Желтые и розовые цветы хаотично пробивались сквозь заросли. «Прекрасное смешение», — сказал Кравцов. Мысли о времени начали меня захлестывать.
Восемьдесят три года назад, во время Второй мировой войны, Инженерный корпус армии США построил расположенный неподалеку аэропорт Санта-Барбары, используя землю, намытую со дна острова Мескалитан, где когда-то находилось поселение индейцев чумаш. Коренные народы жили там по меньшей мере 11 000 лет.
Примерно 340 миллионов лет назад лунный прилив периодически выбрасывал на берег позвоночных рыб, подобных этому. За тысячелетия эти рыбы начали ходить по суше.
Примерно за 4 миллиарда лет до этого пролетевшая мимо звезда или вещество сверхновой взбаламутило газообразные остатки звезды, которую некоторые астрономы называют Коатликуэ, и газ сжался, вызвав возгорание нашего Солнца.
Почти 9 миллиардов лет назад из галактики, ныне называемой JADES-GS-z14-0, исходил свет. Кевин Хайнлайн был первым, кто его увидел, когда в январе этого года загрузил пакет данных JWST. Он удивленно вскочил со стула.
Примечание редактора: Приямвада Натараджан является членом консультативного совета журнала Quanta Magazine. Рейчел Сомервилл работает в Институте Флэтайрон, который, как и Quanta, финансируется Фондом Саймонса. Принадлежность к Фонду Саймонса не влияет на наши публикации.
Источник: www.quantamagazine.org
