Открытия нового гигантского космического телескопа JWST становятся слишком важными для теоретиков, чтобы их игнорировать
Автор - Дэниел Клери
Шарлотта Мейсон, астрофизик из Копенгагенского университета, возлагала скромные надежды 9 месяцев назад, когда она и ее сотрудники начали использовать JWST, новый гигантский космический телескоп, чтобы заглянуть в прошлое и увидеть первые галактики Вселенной. Моделирование показало, что участок неба, который они исследовали, будет содержать всего 0,2 галактики — другими словами, ни одной, если только им не повезет. Однако на снимках появилась не одна, а две яркие галактики. “Это было для меня самым большим сюрпризом”, - говорит она.
Сюрпризы продолжались. Астрономы JWST обнаружили более 15 галактик, сияющих в течение первых полумиллиарда лет существования Вселенной, возраст которой составляет 13,7 миллиардов лет, — слишком много, согласно теоретическим моделям формирования галактик. Первоначальные оценки возраста и расстояния до галактик основаны на их яркости на определенных длинах волн, но сейчас астрономы применяют метод золотого стандарта: подробно анализируют спектры галактик, чтобы увидеть, насколько их свет растянулся из-за расширения Вселенной. Спектры подтвердили наличие девяти ранних галактик, в том числе двух, добавленных в список на той неделе, после наблюдений JWST 24 марта. «Это самый захватывающий период моей недавней жизни», — сказал Кейси Папович из Техасского университета A&M, Колледж-Стейшн, астрономам на прошлой неделе на встрече в Институте космологии Кавли в Кембридже, Англия.
Открытия оставляют теоретиков ломать голову. Стандартная теория космологии, лямбда-холодная темная материя (LCDM), говорит, что облака темной материи — таинственного вещества, составляющего 85% массы Вселенной — начали собираться в гало вскоре после Большого взрыва. Сильная гравитация ореолов всасывала газ, который коллапсировал, образуя звезды. LCDM не может объяснить избыточное количество галактик, которое видят астрономы, но лишь немногие астрономы готовы его разорвать. «Давайте увеличим население», — говорит Элис Шепли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Тогда настало время взглянуть на теории».
Вместо этого космологи задаются вопросом, является ли избыток галактик в новорожденной Вселенной скорее кажущимся, чем реальным. Возможно, обзоры до сих пор случайно фокусировались на областях, густо заселенных галактиками. Кажущийся избыток также может возникнуть, если галактики просто слишком яркие и набиты звездами, поэтому большинство из них выходят за порог, который может видеть JWST. Но это создает новую теоретическую проблему: почему они такие яркие и полные звезд? «Убедительного объяснения пока нет, — говорит Ричард Эллис из Университетского колледжа Лондона.
В молодых галактиках, расположенных ближе к Земле, обратная связь ограничивает скорость звездообразования. Теоретики считают, что молодые звезды излучают звездный ветер: потоки частиц, которые замедляют процесс, выдувая газ из галактики. Эффект усиливается вспышками сверхновых, которые возникают, когда у быстро горящих звезд заканчивается топливо, они коллапсируют и вызывают взрывы, которые выбрасывают газ и окружают галактику пылью, рассеивая ее свет и придавая ей красноватый оттенок. Гравитация галактики втягивает часть газа обратно, но эффективность звездообразования, мера количества звезд, образующихся на единицу газа, обычно остается ниже 10%.
Авишай Декель из Еврейского университета в Иерусалиме утверждает, что звездообразование должно было быть более эффективным в ранней Вселенной, которая физически была намного меньше. Газ, из которого формируются звезды, должен был быть в 1000 раз плотнее, чем после миллиардов лет расширения, что облегчало звездообразование. Более того, этот первичный газ еще не был обогащен более тяжелыми элементами и пылью, созданными сверхновыми. В результате звездные ветры этих первых звезд были бы менее интенсивными, чем сегодня, и более слабым тормозом звездообразования. По словам Декеля, в течение 1 миллиона лет или около того эти галактики могли бы производить звезды с эффективностью образования почти 100%. «Все галактики в эту эпоху должны вспыхивать звездами без обратной связи, если они достаточно массивны». Более того, Андреа Феррара из Scuola Normale Superiore в Пизе, Италия, придерживается другого подхода. Он говорит, что плотные галактики ранней Вселенной ускоряли звездообразование циклами, повторяющимися каждые 100 миллионов лет. Во время фаз звездообразования радиационное давление звезд выбрасывало пыль, из-за чего галактики казались яркими и голубыми.
Феррара находит некоторые доказательства в поддержку этой модели: в спектре JWST одной далекой галактики, GNz-11, одна спектральная линия — для газообразного водорода — смещена не на свое место, как если бы газ двигался со скоростью 300 километров в секунду. «Мы видим явные признаки вытекания материала», — говорит он, когда радиационное давление вымывает и водород, и пыль. JWST также обнаружил галактику без признаков звездообразования через 700 миллионов лет после Большого взрыва, который, как предполагает Феррара, мог находиться в спокойной фазе между вспышками звездообразования.
Другое возможное объяснение удивительной яркости галактик состоит в том, что они были вызваны не звездами, а массивными черными дырами в их сердцевине. Горячие диски пыли и газа, циркулирующие по гравитационным стокам гигантских черных дыр, движут квазарами, одними из самых ярких объектов во Вселенной. Но астрономы не видели квазары раньше, чем примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва, и они изо всех сил пытаются объяснить, как их черные дыры могли стать достаточно большими, чтобы ярко вспыхнуть гораздо раньше. Тем не менее, на конференции в Кавли Папович показал JWST-спектр галактики, когда Вселенной было 550 млн. лет. На нем был намек на то, что свет одновременно растягивается и сжимается — явный признак завихрения газов вокруг черной дыры. Эллис до сих пор не уверен, что гигантские черные дыры могут образоваться достаточно рано. «Идея черной дыры — самая экстремальная, — говорит он.
Немногие хотят одобрить еще более экстремальный вариант: виновата модель LCDM. Ее можно настроить, чтобы создать больше ореолов темной материи или более крупные, способные быстрее концентрировать газ в более крупных галактиках. Но теоретики не хотят возиться с ним, потому что она так хорошо объясняет очень многое: наблюдаемое распределение галактик, изобилие первичных газов и ускоряющееся расширение Вселенной. «Мы рискуем испортить все остальное, — говорит Феррара. «Тебе нужно быть довольно отчаянным».
В дальнейшем на канале будет много интересных и познавательных статей про космос и науку. Если вам интересна такая тематика, буду раз вашим лайкам и подпискам.
Ну а теперь, всем кто дочитал, доброго дня, вечера или ночи)
Источник -