Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) является крупнейшим и мощнейшим космическим телескопом, построенным на сегодняшний день. С момента запуска в декабре 2021 года он предоставил новаторские данные. К ним относится открытие самых ранних и отдаленных известных галактик, которые существовали всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва.
Удаленные объекты также очень древние, потому что свету от этих объектов требуется много времени, чтобы достичь телескопов. JWST теперь обнаружил ряд таких очень ранних галактик. Мы фактически оглядываемся назад во времени на эти объекты, видя их такими, какими они выглядели вскоре после рождения вселенной.
Эти наблюдения JWST согласуются с нашим текущим пониманием космологии — научной дисциплины, которая стремится объяснить вселенную, — и формирования галактик. Но они также раскрывают аспекты, которых мы не ожидали. Многие из этих ранних галактик светят намного ярче, чем мы могли бы ожидать, учитывая, что они существовали всего через короткое время после Большого взрыва.
Считается, что в более ярких галактиках больше звезд и больше массы. Считалось, что для такого уровня звездообразования требуется гораздо больше времени. В центрах этих галактик также есть активно растущие черные дыры — признак того, что эти объекты быстро созрели после Большого взрыва. Итак, как мы можем объяснить эти удивительные открытия? Нарушают ли они наши представления о космологии или требуют изменения возраста вселенной?
Ученые смогли изучить эти ранние галактики, объединив детальные изображения JWST с его мощными возможностями спектроскопии. Спектроскопия - это метод интерпретации электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого объектами в космосе. Это, в свою очередь, может рассказать вам о свойствах объекта.
Наше понимание космологии и формирования галактик основывается на нескольких фундаментальных идеях. Одним из них является космологический принцип, который гласит, что в больших масштабах вселенная однородна (везде одинакова) и изотропна (одинакова во всех направлениях). В сочетании с общей теорией относительности Эйнштейна этот принцип позволяет нам связать эволюцию Вселенной — то, как она расширяется или сжимается, — с содержанием в ней энергии и массы.
Стандартная космологическая модель, известная как теория «горячего Большого взрыва», включает в себя три основных компонента, или ингредиента. Один из них — обычная материя, которую мы можем видеть своими глазами в галактиках, звёздах и планетах. Второй ингредиент — холодная тёмная материя (ХТМ), медленно движущиеся частицы материи, которые не излучают, не поглощают и не отражают свет.
Третий компонент — это так называемая космологическая постоянная (Λ, или лямбда). Она связана с так называемой тёмной энергией и объясняет тот факт, что расширение Вселенной ускоряется. Вместе эти компоненты образуют так называемую ΛCDM-модель космологии. Тёмная энергия составляет около 68% от общего количества энергии во Вселенной на сегодняшний день.
Несмотря на то, что тёмную материю нельзя напрямую наблюдать с помощью научных инструментов, считается, что она составляет большую часть материи во Вселенной и около 27% от общей массы и энергии Вселенной.
В то время как тёмная материя и тёмная энергия остаются загадкой, космологическая модель ΛCDM подтверждается широким спектром подробных наблюдений. К ним относятся измерения расширения Вселенной, космическое микроволновое фоновое излучение, или CMB («послесвечение» Большого взрыва) и развитие галактик и их крупномасштабное распределение — например, то, как галактики группируются вместе.
Модель ΛCDM закладывает основу для нашего понимания того, как формируются и эволюционируют галактики. Например, реликтовое излучение, которое было испущено примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, даёт представление о ранних колебаниях плотности, которые происходили в ранней Вселенной. Эти колебания, особенно в тёмной материи, в конечном итоге превратились в структуры, которые мы наблюдаем сегодня, такие как галактики и звёзды.
Как образуются звезды
Формирование галактик состоит из сложных процессов, на которые влияет множество различных физических явлений. Некоторые из этих механизмов до конца не изучены, например, какие процессы управляют охлаждением и конденсацией газа в галактиках с образованием звезд.
Воздействие сверхновых, звездных ветров и черных дыр, которые выделяют значительное количество энергии (иногда называемых активными ядрами галактик, или AGN), может нагревать или вытеснять газ из галактик. Это, в свою очередь, может ускорить или ограничить звездообразование и, следовательно, повлиять на рост галактик.
Эффективность и масштаб этих "процессов обратной связи", а также их кумулятивное воздействие с течением времени, плохо изучены. Они являются значительным источником неопределенности в математических моделях формирования галактик.
За последние десять лет были достигнуты значительные успехи в сложном численном моделировании формирования галактик. Понимание и подсказки все еще можно получить из более простых симуляций и моделей, которые связывают звездообразование с эволюцией гало темной материи. Эти гало представляют собой массивные невидимые структуры из темной материи, которые эффективно удерживают галактики внутри себя.
Одна из более простых моделей формирования галактик предполагает, что скорость образования звезд в галактике напрямую связана с поступлением газа в эти галактики. Эта модель также предполагает, что скорость звездообразования в галактике пропорциональна скорости роста ореолов темной материи. Она предполагает фиксированную эффективность преобразования газа в звезды независимо от космического времени.
Эта модель "постоянной эффективности звездообразования" согласуется с тем, что звездообразование резко увеличилось в первый миллиард лет после Большого взрыва. Быстрый рост ореолов темной материи в течение этого периода обеспечил бы галактикам необходимые условия для эффективного формирования звезд. Несмотря на свою простоту, эта модель успешно предсказала широкий спектр реальных наблюдений, включая общую скорость звездообразования за космическое время.
Секреты первых галактик
JWST открыл новую эру открытий. Благодаря своим передовым приборам космический телескоп может получать как подробные изображения, так и спектры высокого разрешения - диаграммы, показывающие интенсивность электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого объектами в небе. Для JWST эти спектры находятся в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра. Изучение этой области имеет решающее значение для наблюдения ранних галактик, оптический свет которых превратился в ближний инфракрасный (или "красное смещение") по мере расширения Вселенной.
Красное смещение описывает, как длины волн света от галактик растягиваются по мере их перемещения. Чем дальше галактика, тем больше ее красное смещение.
За последние два года JWST идентифицировала и охарактеризовала галактики со значениями красного смещения от десяти до 15. Эти галактики, сформировавшиеся примерно через 200-500 миллионов лет после Большого взрыва, относительно малы для галактик (около 100 парсеков, или 3 квадриллионов километров, в поперечнике). Каждая из них состоит примерно из 100 миллионов звезд и образует новые звезды со скоростью примерно одна солнцеподобная звезда в год.
Хотя это звучит не очень впечатляюще, это подразумевает, что количество звезд в этих системах удваивается всего за 100 миллионов лет. Для сравнения, нашей собственной галактике Млечный Путь требуется около 25 миллиардов лет, чтобы удвоить свою звездную массу.
Раннее формирование галактик
Удивительные открытия JWST о ярких галактиках с большими красными смещениями или расстояниями могут означать, что эти галактики созрели быстрее, чем ожидалось, после Большого взрыва. Это важно, потому что это бросило бы вызов существующим моделям формирования галактик. Описанная выше модель эффективности постоянного звездообразования, хотя и эффективна для объяснения многого из того, что мы видим, с трудом объясняет большое количество ярких и далеких галактик, наблюдаемых с красным смещением более десяти, при красном смещении более десяти.
Чтобы решить эту проблему, ученые исследуют различные возможности. Они включают изменения в своих теориях о том, насколько эффективно газ превращается в звезды с течением времени. Они также пересматривают относительную важность процессов обратной связи — того, как такие явления, как сверхновые и черные дыры, также помогают регулировать звездообразование.
Некоторые теории предполагают, что звездообразование в ранней вселенной, возможно, было более интенсивным или "взрывным", чем считалось ранее, что привело к быстрому росту этих ранних галактик и их видимой яркости.
Другие предполагают, что другие факторы, такие как меньшее количество галактической пыли, более плотное распределение звездных масс или вклад таких явлений, как активные черные дыры, могли быть ответственны за неожиданную яркость этих ранних галактик.
Эти объяснения ссылаются на изменения в физике формирования галактик, чтобы объяснить выводы JWST. Но ученые также рассматривали модификации широких космологических теорий. Например, обилие ранних ярких галактик можно частично объяснить изменением того, что называется спектром мощности вещества. Это способ описать различия в плотности во Вселенной.
Одним из возможных механизмов достижения такого изменения в спектре мощности вещества является теоретическое явление, называемое "ранней темной энергией". Это идея о том, что новый космологический источник энергии, имеющий сходство с темной энергией, возможно, существовал в ранние времена, при красном смещении 3000. Это произошло до выброса реликтового излучения и всего через 380 000 лет после Большого взрыва.
Эта ранняя темная энергия должна была быстро распадаться после стадии эволюции Вселенной, известной как рекомбинация. Интересно, что ранняя темная энергия также могла ослабить напряжение Хаббла - расхождение между различными оценками возраста Вселенной.
В одной статье, опубликованной в 2023 году, высказывалось предположение, что результаты наблюдений за галактиками с помощью JWST заставили учёных увеличить возраст Вселенной на несколько миллиардов лет.
Однако другие явления могут быть причиной яркости галактик. Прежде чем использовать наблюдения JWST для внесения изменений в общие представления о космологии, необходимо более детально изучить физические процессы в галактиках.
Текущий рекордсмен по самой удалённой галактике, обнаруженной JWST, называется JADES-GS-z14-0. Собранные на данный момент данные указывают на то, что эти галактики обладают большим разнообразием свойств.
В некоторых галактиках есть признаки наличия чёрных дыр, которые излучают энергию, в то время как в других, по-видимому, есть молодые популяции звёзд без пыли. Поскольку эти галактики тусклые и их наблюдение обходится дорого (требуется многочасовая экспозиция), на сегодняшний день с помощью спектроскопии было изучено только 20 галактик, для которых красное смещение превышает 10, и для составления статистической выборки потребуются годы.
Под другим углом атаки могли быть наблюдения галактик в более поздние космические времена, когда вселенной было от 1 до 2 миллиардов лет (красное смещение от трех до девяти). Возможности JWST предоставляют исследователям доступ к важнейшим показателям звезд и газа в этих объектах, которые могут быть использованы для определения общей истории формирования галактик.
В первый год работы JWST утверждалось, что некоторые из самых ранних галактик имели чрезвычайно высокие звездные массы (массы звезд, содержащихся в них), и потребовалось изменение космологии, чтобы приспособиться к ярким галактикам, которые существовали в самой ранней вселенной. Их даже окрестили галактиками, разрушающими вселенную.
Вскоре стало ясно, что эти галактики не разрушают Вселенную, но их свойства можно объяснить целым рядом различных явлений. Более точные данные наблюдений показали, что расстояния до некоторых объектов были завышены (что привело к завышению их звёздных масс).
Источниками света в этих галактиках могут быть не только звёзды, но и аккрецирующие чёрные дыры. Допущения в моделях или симуляциях также могут привести к искажению общей массы звёзд в этих галактиках.
По мере того как JWST будет продолжать свою миссию, он поможет учёным усовершенствовать свои модели и ответить на некоторые из самых фундаментальных вопросов о нашем космическом происхождении. Он должен раскрыть ещё больше тайн о первых днях Вселенной, в том числе загадку этих ярких далёких галактик.
Источник: The Conversation