Теория расширяющейся Вселенной, являющаяся одним из ключевых оснований современной космологии, занимает доминирующее положение в науке на протяжении уже столетия. Для того чтобы подтвердить её, астрономы исследуют излучение от удалённых звёзд. Однако последние астрономические данные представляют собой настоящий прорыв в том, что процесс расширения Вселенной может быть лишь иллюзией. Возможно, что на самом деле Вселенная является плоской и статичной, как это когда-то предполагал Эйнштейн. Одновременно, такое переосмысление способно решить загадки тёмной материи и тёмной энергии. Но насколько это соответствует истине? Что же на самом деле обнаружил телескоп Джеймс Уэбб? Какие данные действительно привели к таким сенсационным выводам? Предлагаем разобраться в этом выпуске. Если кратко, телескоп Джеймс Уэбб продемонстрировал, что крайне удалённые галактики обладают характеристиками, которые требуют более продолжительной эволюции, чем возраст этих объектов, предполагаемый теорией Большого взрыва. Например, снимки галактики GN-Z11 выявили наличие массивной чёрной дыры в её центре, которая не могла набрать свою массу за период времени, прошедший с момента Большого взрыва.
Кроме того, появились сообщения о наличии в спектрах удалённых галактик линий тяжёлых элементов, которые не могли бы образоваться из водорода в ходе цепочек термоядерных реакций за столь короткий срок. В рамках стандартной модели нет удовлетворительного объяснения этим явлениям. Поэтому необходимо попытаться найти ответы вне пределов этой модели. Согласно современным представлениям космологии, первые галактики начали формироваться в течение миллиарда лет после Большого взрыва. Эти галактики сильно отличались от привычных нам типов из-за частых взаимодействий между собой. Наблюдения, проведённые с помощью телескопа Хаббла, в целом подтверждали эту теорию, хотя и оставались некоторые нестыковки. Поэтому в научной арене появился новый "герой" – телескоп Джеймс Уэбб, который, похоже, изменил устоявшуюся картину. Однако прежде чем углубляться в эти открытия, стоит рассмотреть, что же наблюдал Хаббл в своё время и как так получилось, что два телескопа, исследующие глубины космоса, предоставляют данные, противоречащие друг другу.
Сложности возникают, когда временная шкала касается периода возникновения первых галактик. Считается, что это произошло через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Первые структуры во Вселенной, как предполагается, сформировала тёмная материя, а затем под воздействием её гравитации на этих структурах начал конденсироваться первичный барионный газ, из которого вскоре возникли первые звёздные скопления. В то время Вселенная ещё имела сравнительно небольшие размеры, и эти скопления начали объединяться, словно «пельмени», образуя первые галактики. Эти галактики, в свою очередь, сразу же начали активно поглощать друг друга. Согласно этому сценарию, приливные силы от подобных взаимодействий мешали галактикам приобретать аккуратные формы и формировать такие структуры, как спирали или перемычки. Поэтому первые галактики были карликовыми и неупорядоченными. Привычная классификация галактик по типам, предложенная в виде "камертона Хаббла", возникла гораздо позже – не ранее чем шесть миллиардов лет назад.
Если обратиться к глубоким снимкам, сделанным телескопом Хаббл, можно заметить, что многие галактики действительно выглядят как аморфные, бесформенные сгустки, словно пережившие бурные события. Обычные для нас спиральные галактики встречаются значительно реже. Подобное наблюдение вполне укладывается в иерархический сценарий формирования и развития первых галактик. Однако точные данные о расстоянии до таких слабых объектов и, следовательно, об их возрасте удалось получить только спустя несколько лет, когда был применён метод, основанный на измерении фотометрического красного смещения. Напомним, что этот метод основывается на том, что в расширяющейся Вселенной все объекты, не связанные с Млечным Путём, постепенно удаляются от него из-за действия гравитации. Излучение от этих объектов подвергается эффекту Доплера, смещаясь в красную, длинноволновую часть спектра. Чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется и тем больше это смещение. Обычно величину такого смещения определяют по спектру, но у столь слабых объектов, как далекие галактики, получить спектр практически невозможно. Поэтому красное смещение, а значит и расстояние до объекта, рассчитывают через тщательное сравнение потоков излучения, зафиксированных в разных светофильтрах. Когда были определены расстояния, выяснилось, что большинство этих галактик невероятно удалены.
Свет от них шёл к нам более 10 миллиардов лет. Из-за эффекта Доплера их излучение сместилось в длинноволновую область настолько, что Хаббл воспринимал видимый свет как ультрафиолетовый. Несмотря на это, телескоп Хаббл всё же смог различить далёкие галактики как красные точки. Однако из-за оптических шумов и космической пыли расстояние до объектов и их возраст оставались под большим вопросом. Действительно, возможности старого Хаббла оказались почти исчерпаны, и для получения новых данных потребовалось дождаться запуска телескопа нового поколения. Для задачи исследования эволюции и морфологии галактик в молодой Вселенной было принципиально важно, чтобы новый телескоп мог работать в инфракрасном диапазоне. Именно в этом диапазоне он способен улавливать излучение далёких галактик, которое на момент его испускания находилось в видимом спектре, но из-за эффекта Доплера сдвинулось. Наконец, телескоп Джеймс Уэбб был успешно создан и запущен, и сегодня открытия сыплются из него, словно игрушки из мешка. Телескоп практически сразу после выхода на рабочий режим начал наблюдать далёкие галактики с целью изучения их морфологии.
Первые публикации уже показали, что результаты значительно отличаются от тех, что были получены Хабблом. Большая международная группа учёных занялась обработкой и классификацией изображений почти четырёх тысяч галактик. Исследователи поставили перед собой амбициозную цель – разрешить спор о морфологии галактик в ранней Вселенной. Конечно, не все объекты удалось классифицировать, но таких случаев было немного. Некоторые источники не имели различимой структуры и были отнесены к точечным объектам. Однако результаты оказались весьма интересными. Выяснилось, что многие галактики, которые по данным Хаббла считались неправильными, на самом деле являются спиральными. Например, согласно данным Хаббла, таких галактик было лишь около 10%, а по новым данным их число увеличилось до 60%. Такое значительное различие объясняется тем, что, во-первых, новый телескоп смог получить гораздо более качественные изображения благодаря более продвинутой оптике и детекторам, а во-вторых, наблюдения проводились в инфракрасном диапазоне, что позволило уменьшить влияние поглощения света межзвёздной пылью галактик, в результате чего изображения оказались более симметричными.
Для наглядности сравним изображения одних и тех же галактик, сделанные телескопом Хаббл (слева) и телескопом Джеймса Уэбба (справа). Каждая строка соответствует отдельной галактике, а каждый столбец представляет собой отдельный светофильтр, расположенный в порядке увеличения длины волны от синего к красному. Можно заметить, что на изображениях в красных диапазонах волн галактики выглядят более чёткими, и качество снимков нового телескопа заметно выше. Статистические результаты классификации всех исследованных галактик показали следующие результаты: спиральные галактики составляют 42%, на втором месте по распространённости – неправильные галактики, их 27%, а на третьем месте находятся сфероидальные, эллиптические галактики и похожие на них по морфологии – 14%. Таким образом, с высокой степенью уверенности можно утверждать, что большинство звёзд во Вселенной формировались в спиральных галактиках, схожих с нашей. Из этого можно сделать вывод, что в ранней Вселенной было больше неправильных галактик, а остальные типы галактик появились позже.
Да, это именно так. Для массивных систем с массой звёзд более миллиарда солнечных масс доля представителей каждого типа практически не меняется с увеличением расстояния, что явно противоречит иерархическому сценарию. Это может указывать либо на то, что слияния не играют значительной роли в формировании галактик, либо на то, что регулярные структуры формируются достаточно быстро и эффективно противостоят разрушительным приливным силам. Оба варианта предоставляют теоретикам богатую почву для дальнейших исследований. Примечательно также, что космологические гидродинамические симуляции также демонстрируют присутствие и даже преобладание регулярных галактик на больших красных смещениях. Ранее этот факт не принимался во внимание, так как он не соответствовал общепринятым теориям. Рассматриваемое исследование предоставляет убедительные аргументы в пользу того, что спиральные галактики, к одной из которых принадлежит и наш Млечный Путь, оказались гораздо более распространёнными и древними объектами во Вселенной, чем считалось ранее.
Мы знаем, что Земля не является обычной планетой, а Солнце не является стандартной звездой. Но, как оказывается, Млечный Путь – это типичная галактика во Вселенной. Следовательно, в каждой такой системе может существовать хотя бы одна разумная цивилизация. Формирование галактик представляет собой ключевую парадигму, лежащую в основе современной астрофизики. Согласно существующим теориям, в ранние периоды космоса количество массивных галактик должно было быть значительно меньше, чем в современной Вселенной. Однако снимки телескопа Джеймса Уэбба выявили значительное количество крайне массивных галактик, которые, вероятно, существовали уже через 1 миллиард лет после Большого Взрыва. Остаётся надеяться, что дальнейшие исследования помогут нам приблизиться к разгадке происхождения Вселенной. Что думаете?