Главная Астрономия Астрономы не поймут, откуда взялись первые яркие галактики

Джеймс Уэбб разрушает все космологические модели

В своем стремлении узнать больше о первых звездах и галактиках, озаривших ранний космос, астрономы все больше погружаются в темноту. Хотя и есть намеки на возможное просветление, которое приходит с каждым новым открытием, пишет Альтернативная наука.

Таков почти неизбежный вывод из первых наблюдений космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), обсерватории стоимостью 10 миллиардов долларов, которую запустили в июле 2022 года.

Аппарат был создан для наблюдения за слабым инфракрасным свечением наиболее удаленных (во времени и пространстве) объектов Вселенной. Сейчас JWST видит на расстоянии первых сотен миллионов лет после Большого взрыва. Поэтому ему удается получить больше данных о новорожденных галактиках, чем другиму телескопам.

Но его галактические "детские фотографии" оказались более щедрыми, чем ожидалось. Мягко говоря, исследователи и не мечтали увидеть то, что никогда не предполагали.

В частности, галактики-кандидаты ранней Вселенной появляются в количестве, не поддающемся стандартно-модельному прогнозированию: только на середину декабря 2022 года их число возросло до несколько десятков «штук».

Объяснение такого «перепроизводства» может потребовать качественного пересмотра доминирующих космологических моделей. Включая и фантастическое - первые галактики образовались раньше, их звезды светят ярче. А, возможно, природа темной материи или темной энергии еще более сложна и загадочна, чем считалось ранее.

Теперь две из наиболее манящих кандидатов в ранние галактики, обнаруженных JWST, выдержали дальнейшее изучение, укрепив подозрения горе-космологов в том, что наши знания о космической истории весьма неполны.

Датируемые 350 и 450 миллионами лет после Большого взрыва, обе галактики на момент их открытия были старше всех известных ранее. Они обнаружены независимо друг от друга двумя командами, одна из которых возглавлялась Роханом Найду, работающим в Массачусетском технологическом институте, а другая - Марко Кастеллано из Римской астрономической обсерватории.

NGC 1 . Предположительно, древнейшее звездное скопление во Вселенной

Первоначально размещенные на сервере препринтов arXiv.org, две статьи, рассказывающие об этих  открытиях, преодолели ключевое препятствие в виде рецензируемой публикации, каждая из которых появилась в журнале Astrophysical Journal Letters в конце осени.

Это не просто торжество технологии - ранние проблемы с калибровкой инструментов JWST вызвали у астрономов опасения, что имеющиеся результаты потенциально искажают реальную дистанцию до «юных» галактик. Некоторые ученые даже заговорили о появлении «самозванцев», претендующих на почетное место в среде раннего космического сообщества.

Но после тщательной экспертной оценки "мы можем с большой уверенностью сказать, что калибровка не является проблемой для этих галактик", - говорит Кастеллано.

"Это очень надежные кандидаты. Мы окончательно избавились от проблем с калибровкой".

Как всегда, необходимы дальнейшие наблюдения, чтобы окончательно подтвердить их рекордные расстояния.

Тем временем астрономы нашли еще несколько кандидатов в ранние галактики. Некоторые из них, похоже, возникли на расстоянии 200 миллионов лет после Большого взрыва.

 

До запуска JWST никто не знал, могли ли галактики образоваться так рано. Предполагалось, что 13,8 миллиардов лет назад материя все еще спокойно коалесцировала в гравитационно связанные сгустки, необходимые для рождения больших групп звезд.

"И вот мы задаемся вопросом: "Действительно ли мы понимаем ранние фазы формирования этих галактик?" - спрашивает Гарт Иллингворт, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Круз, на пресс-конференции, организованной НАСА.

«Перед теоретиками возникло очень много вопросов". Главный из них - как именно темная материя направляла первородные галактики?

В течение первых нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва космос был настолько горячим, что гравитация не могла вместе стянуть обычную материю. А тем более скомпонавать большие протогалактические скопления.

Однако это "не было проблемой для темной материи", - думает Хорхе Пеньярубия, космолог из Эдинбургского университета в Шотландии. - Потому что темная материя не взаимодействует с помощью электромагнитных сил".

Иными словами, хозяином невидимой субстанции является только гравитация, - и это означает, что в считанные мгновения после Большого взрыва, когда еще царил первобытный хаос, именно гравитация склеивала темную материю в большие скопления, таким образом оформив гало будущих галактик.

Ореолы ТМ действовали как гравитационные поглотители для нормальной материи. Движения звезд свидетельствуют об их устойчивости и по сей день. Такие ореолы все еще окружают галактики, подобные нашей. Величественные, но невидимые скульпторы современного космоса.

Быстрое открытие ранних галактик "возможно, напрягает наше понимание того, как формировались ранние структуры темной материи", - говорит Рейчел Сомервилл, астрофизик из Института Флэтайрон, Нью-Йорке.

Теоретики обнаружили, что простые модели темной материи, в которых она взаимодействует только с собой и обычной материей посредством гравитации, могут точно воспроизвести крупномасштабную космическую структуру.

Но природа не гарантирует простоты. В действительности, ТМ может взаимодействовать сама с собой из-за еще неизвестной силы, возможно, через частицу, которая не входит в принятую Стандартную модель физики.

"Если бы темная материя могла взаимодействовать сама с собой, это могло бы изменить способ ее сгущения в эти ранние периоды", - поясняет Сомервилл.

"И тогда в ранней Вселенной могли бы образоваться более массивные ореолы темной материи". Это объясняет быстрое возникновение первых галактик.

 

Нестандартная ситуация также может легко привести к более быстрому звездообразованию в ранней Вселенной. Возможно, из-за того, что ореолы темной материи быстрее притягивают материю.

К слову сказать, Млечный Путь производит одну новую звезду в год. Но статья Кастеллано предполагает, что скорость звездообразования должна была быть по крайней мере в 20 раз выше в двух галактиках-кандидатах, предложенных им и Найду.

В другой статье, полученной из препринта JWST, предполагается, что галактики размером с Млечный Путь могли возникнуть всего через полмиллиарда лет после Большого взрыва - сценарий, который требует бешенной скорости. Где-то в 10 раз выше, чем по оценкам Кастеллано.

По мнению Майкла Бойлана-Колчина, космолога из Техасского университета в Остине, такие запредельные темпы звездообразования расширяют границы физически возможного.

"Если эти значения верны, то [галактики] должны превращать всю свою массу в звезды так быстро, как только возможно", - говорит он.

В этом контексте правдоподобным кажется иное предположение: в ранней Вселенной звезды каким-то образом более эффективно накапливали массу. Что приводило к появлению более крупных и ярких светил, сегодня доступных JWST.

"Возможно, создается целая масса очень-очень громоздких звезд, - фантазирует Стивен Уилкинс, астроном из Сассекского университета в Англии. Речь идет о звездной популяции III, предположительно первого скопления Вселенной.

Хотя астрономам еще предстоит провести наблюдения астрономических объектов данного класса, существует множество косвенных доказательств их существования. Возникнув из первобытного водородного и гелиевого газа, которым была заполнена ранняя Вселенная, звезды III популяции не имели тяжелых элементов. Поэтому они достигли гигантских размеров - в сотни раз больше, чем наше Солнце.

Но, подобно самым ярким и коротким свечам, время жизни этих звезд не превышаило нескольких миллионов лет. Обнаружим ли мы их предсмертное свечение - вопрос.

Однако возможно, что некоторые из более отдаленных галактик, уже найденных JWST, могут содержать доказательства существования звезд популяции III.

Яркость первых галактик может быть объяснено и «преемственностью» звездной популяции II и звездным скоплением I, к которым, гипотетически, относиться наше Солнце.

"Такое определенно возможно", - говорит Дэниел Уолен, космолог из Портсмутского университета в Англии.

Но, чтобы проверить данную гипотезу, необходимо провести спектроскопическое наблюдение за более отдаленными галактиками-кандидатами. Весьма трудоемкий процесс сбора радужного спектра излучаемого галактикой света. Но ученые надеются, что Джеймс Уэбб выяснит, какие химические элементы присутствуют в составляющих их звездах.

По словам Уолена, одним из явных признаков звездной популяции III может быть специфическая спектральная особенность гелия, которая возникает только в тех светилах, температура атмосферы которых превышает 100 000 градусов по Цельсию.

"Вот доказательство массивной звезды популяции III", - убежден космолог.

Глобальные наблюдения должны начаться в ближайшее время. Джейхан Карталтепе из Рочестерского технологического института входит в состав группы, которая получила разрешение на использование JWST для наблюдения за несколькими ранними галактиками-кандидатами, обнаруженными в ходе исследования Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey.

Избранные кандидаты отличаются высоким красным смещением - растяжением длин волн их света, вызванным расширением Вселенной в течение космического времени. Таким образом планируется обследовать не только звездное население галактик, но и проверить «реальность» космического возраста.

По словам Карталтепе, измерения позволят астрономам "понять темпы звездообразования и возраст звезд".

Программа, начало которой ожидается не раньше конца декабря, будет использовать восемь часов работы JWST для получения спектров трех целевых галактик. В будущем ожидается еще много подобных программ.

Существуют и другие, более интригующие идеи. Если JWST обнаружит, что очевидный ранний всплеск образования массивных галактик внезапно ослабел в последующие космические эпохи, астрономы получат доказательства того, что Вселенная расширялась быстрее, чем в своей юности. Примерно в два раза, чем предсказывают нынешние оценки, говорит Никола Менчи, исследователь из Астрономической обсерватории Рима.

Почему?

А все дело из-за влияния определенной (и пока полностью гипотетической) разновидности темной энергии - загадочной и таинственной силы, которая, по-видимому, является движущей силой Вселенной.

Так называемые фантомные модели темной энергии позволяют ей колебаться в космическом времени. Если такие модели верны, то влияние темной энергии на расширение Вселенной вскоре после Большого взрыва могло быть более грандиозным, чем сегодня.

 

Первые результаты, полученные с помощью JWST, "кажется, противоречат большинству логических моделей, которые мы рассматривали до сих пор", - утверждает Менчи. А именно Лямбда-холодной темной материи (Лямбда-CDM), теоретической модели, включающей в себя лучшие на данный момент оценки свойств темной материи и темной энергии.

Предлагаемые идеи, хотя и кажутся надуманными, пока нельзя исключать, поскольку астрономы продолжают бороться с растущим массивом кандидатов в галактики в ранней Вселенной.

Некоторые из них, скорее всего, окажутся миражами - гораздо более близкими системами, маскирующимися под более удаленные, поскольку содержат большое количество пыли, которая также вызывает красное смещение их света.

Однако первоначальные наблюдения с помощью Атакамского большого миллиметрового/субмиллиметрового массива (ALMA) не выявили никаких доказательств высокого содержания пыли.

"Несмотря на интересные результаты ALMA, JWST - единственный инструмент, который предлагает окончательные ответы по этим галактикам", - не сомневается Кастеллано.

Дополнительные наблюдения ранних галактик проведут до июня 2023 года. Более интересные результаты ученые получат в ходе второго научного года, цикла 2, для которого астрономы уже сейчас пишут исследовательские програмы.

"Спектроскопические наблюдения с помощью JWST очень важны и, вероятно, будут доминировать в запросах по далеким галактикам во втором цикле", - говорит Иллингворт.

"У нас есть проблема, и она реальна: откуда, черт возьми, взялись эти яркие штуки? Их не было в книге сказок. Мы действительно должны понять, что здесь происходит".