Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) перевернул представления астрофизиков о первых эпохах существования Вселенной. Открытия последних лет указывают на то, что температурный режим и интенсивность звездообразования в молодой Вселенной значительно превосходили теоретические расчёты, что заставляет пересмотреть фундаментальные модели космической эволюции.
Неожиданная яркость далёких галактик
Когда телескоп JWST начал свои наблюдения в конце июня 2022 года, астрономы столкнулись с поразительным явлением: количество ярких галактик в ранней Вселенной оказалось в десятки, сотни, а возможно, даже в тысячу раз больше, чем предсказывали модели. Майкл Бойлан-Колчин (Техасский университет в Остине) отметил, что никто не ожидал подобного результата; Рэйчел Сомервилль (Институт Флэтайрон) охарактеризовала ситуацию так: «Галактики буквально вылезают из-под земли».
Инфракрасные наблюдения выявили большие галактики, не соответствующие предсказаниям стандартной модели эволюции Вселенной Lambda-CDM. Более десяти ультрадалёких и аномально ярких галактик были обнаружены на фотометрических изображениях JWST и частично подтверждены спектрометрическими данными. Такое изобилие сверхмолодых ярких галактик значительно превышает прогнозы космологических моделей.
Экстремальные температуры звёзд
Среди наиболее интригующих открытий — галактика GS-NDG-9422, обнаруженная примерно через миллиард лет после Большого взрыва. Эта галактика демонстрирует необычную световую характеристику: её газ светится ярче, чем звёзды. Главный исследователь Алекс Кэмерон (Оксфордский университет) признался, что при изучении спектра галактики первой его мыслью было: «Это странно» — и именно такие объекты телескоп «Уэбб» и предназначен обнаруживать.
Температура звёзд в этой галактике превышает 80 000 °C, тогда как в локальной Вселенной типичные горячие массивные звёзды имеют температуру 40 000–50 000 °C. Теоретики отмечают, что звёзды в ранней Вселенной должны быть гораздо горячее и массивнее, что логично в условиях иной химической среды и физики тех эпох.
Космический микроволновый фон
Независимое подтверждение повышенных температур в ранней Вселенной получено через измерения температуры космического микроволнового фонa (КМФ). Международная группа исследователей использовала радиотелескопическую решётку NOEMA для изучения галактики HFLS3, активной всего через 880 миллионов лет после Большого взрыва.
Облако холодного водяного пара в HFLS3 отбрасывало своеобразную «тень» на КМФ: водяной пар поглощал более тёплое излучение реликтового фонa на пути к Земле, а степень затемнения указывает на разницу температур. Исследователи установили, что температура реликтового излучения в тот период составляла примерно от 16,4 до 30,2 К — примерно в семь раз выше, чем в современной Вселенной.
Проблема формирования галактик
Современные модели формирования галактик предполагали, что газовые облака должны были гораздо медленнее конденсироваться в звёзды и галактики. Увеличенная светосила и чувствительность JWST (включая зеркало диаметром 6,5 м и работу в инфракрасном диапазоне) позволили уловить больше света от далёких источников, свет которых растянут космическим расширением.
Некоторые исследователи пришли к выводу, что чрезмерная яркость и размер наиболее удалённых галактик вряд ли связаны с нарушением космологии. Скорее всего, эти характеристики обусловлены некими ещё не до конца понятными астрофизическими факторами в ранней Вселенной. Изменения в космологических параметрах модели Lambda-CDM не смогли полностью согласовать предсказания с новыми наблюдениями JWST.
Три теории звёздной эволюции
В научной литературе предложены три основные гипотезы, которые могут объяснить данные JWST о ранних галактиках:
- Более массивный начальный массив звёзд. Первичные галактики могли формировать больше массивных звёзд по сравнению с последующими эпохами. Звёзды населения III с низкой металличностью могли достигать очень больших масс, возможно до сотен или тысяч солнечных масс, что меняет функцию начальной массы звёзд в сторону тяжёлых объектов.
- Вспышечное звездообразование. Высокая яркость могла быть результатом серийных, интенсивных вспышек звездообразования. Чтобы согласоваться с наблюдениями JWST, частота вспышек должна была быть значительно выше в течение примерно 100 млн лет. Такое импульсное поведение могло завершаться многочисленными сверхновыми, которые выталкивали газ и затем тормозили дальнейшее звездообразование.
- Очень высокая скорость звездообразования. Ранние галактики могли переживать короткие фазы экстремально интенсивного звездообразования внутри плотных газовых облаков, порождая большое количество массивных горячих звёзд. Излучение таких облаков могло создавать чрезвычайно яркие линии и континуум в спектре.
Стремительное появление пыли
Ещё одно важное наблюдение касается раннего образования межзвёздной пыли, ключевой в охлаждении и фрагментации молекулярных облаков и в образовании сложных молекул. Происхождение пыли и временные рамки её формирования долгое время оставались предметом дебатов: первичное происхождение в выбросах сверхновых или постепенный рост зёрен и вклад асимптотических звёзд-гигантов.
Спектроскопия, охватившая диапазон от ультрафиолета до оптики для сотен галактик на красных смещениях z = 3–14, показала, что пыль появляется быстро. Ослабление света вслед за вспышками звездообразования происходит на временных масштабах короче ~30 млн лет, что указывает в пользу быстрого образования пыли в сверхновых. При этом обнаружена меньшая, чем ожидалось, сохранность пыли в межзвёздной среде (в сравнении с характеристиками пыли в Млечном Пути).
Последствия для космологии
Наблюдения JWST имеют серьёзные последствия для космологии и истории расширения Вселенной. Некоторые исследовательские группы отмечают, что при консервативных допущениях наблюдаемое обилие галактик находится в заметном напряжении со стандартной космологией Lambda-CDM и налагает строгие ограничения на историю расширения Вселенной.
В одном из исследований показано, что при эффективности преобразования барионов в звёзды около 0,2 модель Lambda-CDM может быть статистически несостоятельна с высокой достоверностью. При других значениях эффективности расхождения сохраняются, хотя степень несоответствия зависит от принятых допущений.
Редакция журнала «ОК» отмечает, что эти открытия подчёркивают стремительность процессов в ранней Вселенной и необходимость пересмотра существующих теоретических представлений. Горячие массивные звёзды, интенсивное звездообразование и быстрое обогащение тяжёлыми элементами — всё это происходило в более сжатые сроки, чем предполагалось ранее. Дальнейшие наблюдения JWST обещают ещё больше сюрпризов и, возможно, заставят переписать отдельные главы истории космоса.
Впереди — годы кропотливых наблюдений и теоретических разработок, которые должны объяснить, почему молодая Вселенная была столь активной и горячей. Какие ещё тайны скрывает космическое прошлое? Следите за публикациями «ОК» — мы продолжим рассказывать о самых значимых открытиях на переднем крае астрофизики. Делитесь своими мыслями в комментариях, ставьте лайки и подписывайтесь на наш журнал, чтобы первыми узнавать о новых космических загадках.