[Перевод] Теперь официально: «слишком ранние» галактики не противоречат современной космологии
Маленькие красные точки» были названы слишком массивными и слишком ранними, чтобы космология могла их объяснить. С новыми знаниями всё сходится.
Эту область космоса запечатлил сначал «Хаббл», а затем «Уэбб». Из двух фотографий сделали анимацию. Оба изображения все ещё подвержены фундаментальным ограничениям, поскольку они были получены изнутри нашей внутренней Солнечной системы, где присутствие зодиакального света влияет на уровень шума наших инструментов, и его не так-то легко удалить. Дополнительное присутствие точечных красных объектов на снимках «Уэбб», также известных как «маленькие красные точки», наконец-то объяснено, но другие загадки всё ещё остаются
Трудно поверить, но всего два года назад, летом 2022 года, миру были представлены самые первые научные снимки с космического телескопа Джеймса Уэбба («Уэбб»). И хотя они раскрыли удивительные подробности о формирующихся планетах, молодых звёздных системах, экзопланетах, звёздах с дисками из обломков, галактиках и многом другом, наибольший сюрприз был получен при взгляде на самые большие расстояния. Там, среди самых глубоких космических глубин, которые когда-либо исследовались, оказалась неожиданная популяция галактик — в большом количестве — невероятно далёких, красного цвета, точечных по размеру, но при этом достаточно ярких, чтобы их легко обнаружили приборы «Уэбба».
Эти объекты, известные в просторечии как «маленькие красные точки», стали вызовом для современной космологии. У нас уже было очень точное представление о том, из чего состоит наша Вселенная: смесь тёмной энергии, тёмной материи, обычной материи и небольшого количества излучения, и мы уже знали, сколько лет Вселенной и как, по нашим расчётам, должна формироваться её структура. Так почему же в столь ранние времена появилось так много этих ярких объектов: в большем количестве, и при этом в большем количестве, чем предсказывало любое моделирование?
В астрономии и физике есть старая поговорка: теоретики могут рассказать нам, как должна вести себя природа, но только с помощью экспериментальных или наблюдательных данных мы можем определить, как на самом деле устроена Вселенная. После двух лет исследований учёные наконец-то собрали всё воедино и узнали, как на самом деле росла Вселенная.
Гибрид квазара и галактики GNz7q виден здесь как красная точка в центре изображения, покрасневшая из-за расширения Вселенной и большого расстояния до нас. Несмотря на то, что его снимок попал в обзор GOODS-N уже более 13 лет назад, его отметили как интересный объект только в 2022 году, поскольку его спектр демонстрирует свойства как галактики, так и квазара. Эти очень далёкие, очень красные, но почему-то очень яркие объекты часто встречаются в поле зрения «Уэбба». Многие из «маленьких красных точек», наблюдаемых «Уэббом» и другими обсерваториями, усиливают яркость за счёт активности центральной чёрной дыры, а некоторые струи направлены прямо вдоль нашей линии видимости.
Теоретическая картина нашей Вселенной не допускает больших изменений, по крайней мере на космических масштабах. У нас уже есть набор наблюдений, которые нельзя игнорировать; всё новое, что мы узнаём, приходится объяснять в том же контексте, что и уже известное нам. Мы знаем, что на ранних стадиях горячего Большого взрыва существовал начальный разброс дефектов плотности: недостаточно плотные и избыточно плотные области, которые проявляются на всех космических масштабах примерно на уровне 1 часть на 30 000. Мы наблюдаем эти несовершенства в реликтовом излучении — остаточном излучении после Большого взрыва, — отпечатавшиеся в нём всего через 380 000 лет после горячего Большого взрыва.
Мы также знаем, что изначально не было ни звёзд, ни галактик, и что Вселенной потребовалось значительное время (по крайней мере, десятки миллионов лет), чтобы сформировались самые первые звёзды. На ранних этапах космической истории галактики были меньше по размеру и массе, менее структурно развитыми, в них было меньше тяжёлых элементов, и преобладали более голубые, молодые популяции звёзд — всё это по сравнению с современными галактиками. Мы знали, какой была Вселенная на самых ранних этапах её развития, и знали, какой она стала, когда галактик стало много: вплоть до пределов возможностей таких обсерваторий, как космический телескоп «Хаббл». Но что же обнаружил «Уэбб»?
Превзойдя по возможностям все предшествующие обсерватории, включая все наземные телескопы на Земле, а также «Хаббл», «Уэбб» от НАСА показал нам самые далёкие галактики во Вселенной, которые когда-либо были открыты. Если присвоить трёхмерное положение галактикам, которые были достаточно хорошо замечены и измерены, то можно построить визуализированный пролёт Вселенной, как это позволяют сделать данные CEERS, полученные при помощи «Уэбба». На больших расстояниях чаще встречаются компактные звездообразующие галактики, на более близких расстояниях — более диффузные, спокойные галактики.
Кое-что из того, что обнаружил «Уэбб», было ожидаемо, по крайней мере, некоторыми учёными. Рекорд космического расстояния для самого удалённого объекта был побит несколько раз, как и рекорд для самого удалённого скопления галактик, самой удалённой гравитационной линзы, а также множество других революционных находок. Кое-что из того, что увидел «Уэбб», находилось на грани допустимого: большое количество ранних галактик, которые чуть-чуть не выходили за пределы того, насколько массивными, по нашему мнению, могут быть галактики через такие короткие периоды времени. А кое-что из того, что увидел «Уэбб», было совершенно неожиданным почти для всех: например, наличие ранних сверхмассивных чёрных дыр, которые явно образовались не из звёзд, присутствовавших в ранних протогалактиках, в которых они находились.
Среди самых неожиданных находок было наличие и обилие этих «маленьких красных точек», которые, как мы быстро поняли, в первую очередь были связаны с ранними яркими галактиками, появившимися вскоре после Большого взрыва в космической истории. Хотя некоторые из этих галактик оказались по природе своей красными, и следовательно, они находятся на меньшем расстоянии от нас (и, следовательно, относятся к более позднему периоду истории Вселенной), большинство маленьких красных точек действительно оказались молодыми яркими галактиками. Более того, количество галактик с «маленькими красными точками», которые мы находили, действительно превышало допустимое количество, полученное при моделировании.
Почему в столь ранние времена было так много этих очень ярких галактик? Это была одна из ключевых загадок, с которой пришлось столкнуться астрономам и астрофизикам, когда они получили новые данные «Уэбба».
Эта часть обзора CEERS содержит широкий спектр галактик на всех расстояниях — от близлежащих до удалённых более чем на 30 миллиардов световых лет, — полученных с помощью прибора «Уэбба» NIRCam. Некоторые галактики, по-видимому, так быстро стали настолько массивными, что моделирование не смогло их учесть. Однако новое исследование показало, что некоторые из этих ранних галактик на самом деле гораздо менее массивны, чем кажется на первый взгляд, и их яркость усиливается как за счёт вспышек звёздообразования, так и за счёт света, излучаемого активными сверхмассивными чёрными дырами внутри них.
Легко заявить: «Никто этого не ожидал», и ещё легче сделать фантастический вывод, например, «космология сломалась» или «нашу модель Вселенной не получается согласовать с этими наблюдениями». Но гораздо сложнее — по крайней мере, с научной точки зрения — взглянуть на неожиданное и попытаться найти объяснение тому, как появились эти объекты. В конце концов, именно космический телескоп «Хаббл» показал человечеству, как выглядит Вселенная, но именно «Уэбб» должен был научить нас, как Вселенная выросла и стала такой, какой она является сегодня. Возможно, он рассказал нам не то, что мы ожидали, но это не страшно: ошибаясь, мы получаем возможность узнать что-то новое.
Первое, на что мы обратили пристальное внимание, — это характеристики самого «Уэбба». Одним из наиболее важных аспектов любого телескопа является не только такие свойства, как разрешение, световая мощность и чувствительность по длине волны, но и обязательное понимание того, как работает вся оптическая система, а также эффективность этой системы. Ни один телескоп не является оптически совершённым, поскольку в нём всегда присутствуют потери, связанные с отражением от поверхностей, пыли или грязи, скопившейся на оптических поверхностях, деградации или несовершенства самих зеркал, мельчайшие, самые незначительные смещения зеркал или приборов, а также тепловой шум и несовершенные свойства самих приборов.
Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба сфотографирован во время проверки в чистой комнате в Гринбелте, штат Мэриленд, в конце 2021 года, в момент завершения работ. Всего несколько недель спустя он будет успешно запущен и развёрнут, что приведёт к беспрецедентному прогрессу в астрономии. От зеркал до приборов — от начала и до конца он содержался в чистоте так, как ни одна другая обсерватория в истории.
Оказалось, что, когда дело дошло до «Уэбба», учёные рассчитали ожидаемую производительность всей обсерватории, исходя из этих факторов. Однако, когда наступил решающий момент, оказалось, что сам телескоп превзошёл все ожидания, поскольку «Уэбб» содержался в чистоте и первозданном виде, как ни один другой космический телескоп, когда-либо созданный и построенный. Взгляды «Уэбб» на Вселенную оказались одновременно более чёткими, менее шумными, и оптически более эффективными, чем даже самые оптимистичные прогнозы. Его функция распределения точек (PSF), или то, насколько хорошо он может фокусировать свет от удалённых объектов, практически в два раза превышает проектные требования, что делает его лучшим телескопом в этой области за всю историю человечества.
Это означает, что более чёткие изображения и более слабые точечные объекты можно обнаружить за меньшее время, чем предполагалось, а также что обнаруженные объекты будут казаться ярче, чем ожидалось, учитывая длительность их наблюдений. Это важная информация для правильной калибровки любых наблюдений, полученных с помощью «Уэбба», так как яркость объекта в телескопе является важной информацией для определения его внутренних свойств, в том числе и собственной яркости. Хотя это играет определённую роль в наблюдаемой яркости объектов, наблюдаемых с помощью «Уэбба», это не может полностью объяснить, почему эти «маленькие красные точки» были такими яркими и многочисленными.
Это небольшое изображение представляет собой уменьшенную версию полного ~140-мегапиксельного поля зрения, всесторонне изученного после того, как «Уэбб» был полностью выровнен и откалиброван. Яркая звезда в левом нижнем углу снимка — это знаменитая «звезда выравнивания» из первого выровненного изображения «Уэбб». Здесь практически не видно паразитного света.
Ещё одним важным аспектом была проверка проводимых нами симуляций, поскольку мы пытались предсказать, какие звёзды и галактики мы ожидаем увидеть на ранних этапах космической истории. Наиболее полные модели до наблюдений «Уэбба» с трудом воспроизводили появление огромного количества массивных, эволюционировавших галактик, которые были обнаружены «Уэббом». Однако у этих крупномасштабных симуляций были ограничения: они были ограничены как в плане разрешения по массе, так и в плане пространственного разрешения, которым приходится жертвовать, чтобы получить точные симуляции в больших космических масштабах.
Однако исследование 2023 года, в котором изучались симуляции на чуть меньших космических масштабах, но с гораздо большим массовым и пространственным разрешением, показало, что именно регионы, в которых наблюдалась наибольшая избыточная плотность массы на относительно малых космических масштабах — регионы, которые были космической редкостью на уровне 1 к 10 000, — внесли большой вклад в формирование самых ранних и самых массивных молодых галактик. Эти регионы были «размыты» в симуляциях с низким разрешением, но в симуляциях с высоким разрешением они были ответственны за наибольшее количество галактик с большой массой, образовавшихся между 250 и 500 миллионами лет после Большого взрыва. Это значительно уменьшило противоречие между ожиданиями и наблюдениями, но не устранило его полностью.
Области, рождённые с типичной, или «нормальной», избыточной плотностью, вырастут в богатые структуры, в то время как области с недостаточной плотностью будут иметь структуру попроще. Однако на ранних этапах развития мелкомасштабной структуры доминируют наиболее пиковые по плотности области (обозначенные здесь как «редкие пики»), которые растут быстрее всего и видны в деталях только при моделировании с самым высоким разрешением.
Одной из загадок, которая всё ещё оставалась, было то, почему галактики, которые «Уэбб» наблюдал в самые ранние времена, были такими яркими на определённых длинах волн: в ультрафиолетовом свете. Мы знаем, что в результате звёздообразования образуются звёзды разной массы — от ярких, голубых, но недолговечных звёзд большой массы до более слабых, красных и долгоживущих звёзд меньшей массы. Обычно предполагалось, что звёзды образуются в галактиках непрерывно, и по мере того, как голубые звёзды в старых звёздных популяциях стареют и умирают, на их месте возникают новые. Однако многие наблюдаемые галактики, как оказалось, не соответствуют этой тенденции: ультрафиолетового излучения в них было больше, чем предсказывала современная астрофизика.
Опять же, было бы очень легко утверждать, что «космология сломалась» или даже что «астрофизика, включая моделирование звёзд, сломалась», но конечная цель всегда состоит в том, чтобы понять, что и как делает природа. В конце 2023 года появилось ключевое осознание: галактики обычно не образуют звёзды непрерывно и с одинаковой скоростью, а скорее делают это «пунктирно», короткими событиями, известными как вспышки звёздообразования. Сегодня вспышки обычно происходят только в небольших регионах большинства галактик, создавая гигантские объёмы ионизированного водорода и приводя к быстрому периоду звёздообразования: когда одновременно формируются большие популяции звёзд, включая короткоживущие массивные голубые звёзды, излучающие ультрафиолет.
Пара взаимодействующих галактик в процессе слияния, известная как IC 1623, изображена на снимке «Уэбба». При создании этого изображения использовались данные трио инструментов «Уэбба» — MIRI, NIRSpec и NIRCam. Продолжающаяся вспышка звёздообразования в центре создаёт интенсивное инфракрасное излучение. В ранней Вселенной вся галактика могла переживать вспышку звёздообразования, когда звёзды образуются одновременно на всей территории галактики.
Признание того, что звёздообразование на ранних этапах не было непрерывным, а происходило именно таким образом, было чрезвычайно важным. Эти маленькие ранние галактики вполне вероятно могли целиком переживать вспышку звёздообразования, когда звёзды формировались одновременно во всём их объёме. Такие вспышки резко —, но лишь на время — увеличивали яркость галактики. Наше предположение о том, что «свет соответствует массе», не обязательно должно быть верным; свет от скоротечных событий может быть очень ярким, и превышать по яркости то, что ожидается от галактики данной массы. Эти эпизоды бурного звёздообразования, сопровождающиеся появлением гигантских и сверхгигантских звёзд, а также сверхновых, определённо могли бы помочь объяснить, почему так много ярких галактик было замечено на таком раннем этапе развития Вселенной.
Но теперь, в новом исследовании, учёные из группы CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science), работая с самыми ранними данными «Уэбба», выявили четвёртый вклад в необычную яркость этих ранних галактик: свет, излучаемый — опять же, не постоянно, а всплесками — их центральными сверхмассивными чёрными дырами. Одно из самых удивительных открытий «Уэбба» заключается в том, что звёзды в галактике и центральная сверхмассивная чёрная дыра в ней растут не параллельно. Напротив, оказывается, что зародыши массивных чёрных дыр с массой от 10 000 до 100 000 масс Солнца могут образовываться вместе с первыми звёздами или даже раньше них, просто в результате столкновения потоков холодного газа.
Этот фрагмент из суперкомпьютерного моделирования показывает чуть более 1 миллиона лет космической эволюции между двумя сходящимися холодными потоками газа. За этот короткий промежуток времени, чуть более 100 миллионов лет после Большого взрыва, сгустки материи вырастают до отдельных звёзд, содержащих десятки тысяч солнечных масс каждая в самых плотных областях, и могут привести к прямому коллапсу чёрных дыр с массой ~40 000 солнечных масс. Это может послужить основой для создания самых ранних, самых массивных чёрных дыр во Вселенной, а также для формирования звёзд и роста галактических структур.
Сегодня самые массивные чёрные дыры огромны, они могут вырастать до десятков миллиардов солнечных масс: это составляет около 0,1% звёздной массы их галактик. Но на ранних этапах чёрные дыры были уже очень массивными: десятки миллионов, сотни миллионов или даже миллиард солнечных масс только за первые ~800 миллионов лет космической истории. Важно, однако, что галактики, в которых они находятся, имели гораздо меньшую массу, чем сегодня, так что отношение массы чёрной дыры к звёздной массе в этих галактиках не 0,1%, а может составлять 1%, 10% или даже до 100%. Такие чёрные дыры называются сверхмассивными, и когда они активны, то могут светить очень и очень ярко.
Все чёрные дыры, но особенно сверхмассивные чёрные дыры, могут потреблять газ из своего окружения, и когда они это делают, то нагревают его. Он может стать настолько горячим, что начнёт излучать не только инфракрасный (тепловой) свет, но и видимый, ультрафиолетовый и даже рентгеновский. Когда мы видим «маленькую красную точку» в небе с помощью «Уэбба», мы видим совокупность всего производимого света: свет от звёзд, находящихся внутри, плюс свет от активной деятельности сверхмассивной чёрной дыры, орудующей в центре. Поскольку галактика выглядит как единая точка, очень сложно определить, какой свет исходит от какого компонента галактики. Примечательно то, что, как показало новое исследование, если учесть свет, производимый чёрными дырами, в этих «маленьких красных точках», то оставшиеся ранние галактики полностью соответствуют тому, что предсказывает стандартная модель космологии, или ΛCDM.
Если учесть свет не только звёзд, но и центральной сверхмассивной чёрной дыры, то дополнительная яркость, превышающая ожидаемую от этих ранних галактик, наконец-то будет почти соответствовать теориям. Остаётся открытым вопрос о том, почему всё-таки они настолько яркие — эта яркость всё ещё немного не совпадает с теоретическими моделями.
Часто бывает так, что мы изначально ожидали, как что-то будет работать, а потом, когда проверяем это на практике, обнаруживаем, что это работает совсем не так. Иногда это связано с ошибкой либо в оборудовании, либо в методологии наблюдений/экспериментов, либо в теории, на основе которой было сделано ключевое предсказание. Иногда это несоответствие является предвестником нового научного открытия, поскольку несоответствие между теорией и наблюдениями в новом режиме обычно является первым сигналом, свидетельствующим о проблемах с нашим текущим представлением. Но чаще всего — и в данном случае это, безусловно, так — мы обнаруживаем, что наша «простая модель», которую мы использовали для предсказаний, слишком проста по ряду параметров, и что мы должны более полно учитывать соответствующие факторы.
Как говорит первый автор нового исследования, аспирантка UT-Austin Кэтрин Чворовски, об идеях звёздообразования на ранних этапах нашей космической истории:
«Здесь всё ещё сохраняется чувство интриги. Не всё до конца понятно. Именно это делает занятия подобной наукой увлекательными, потому что было бы ужасно скучно, если бы в одной статье все было выяснено или не было бы больше вопросов, на которые можно было бы ответить».
Яркие ранние галактики, которые «Уэбб» видит как «маленькие красные точки», скорее всего, не так массивны, как изначально думали астрономы и астрофизики. Но только поняв, как правильно откалибровать «Уэбб», более детально смоделировав формирование галактик с высоким разрешением, учтя взрывной характер звёздообразования, и включив света, порождаемый активными сверхмассивными чёрными дырами, мы можем привести наблюдаемую Вселенную в соответствие с ожиданиями. Наконец-то тайна этих «маленьких красных точек» раскрыта.
