Космология переживает кризис идентичности, и это не преувеличение ради красного словца. Десятилетиями учёные рассказывали нам стройную, логичную, почти убаюкивающую историю о том, как возникли галактики. Сначала, мол, появились крошечные сгустки материи, потом они слиплись в облака побольше, те объединились в протогалактики, а уже из них — как из деталей конструктора — выросли величественные спиральные красавицы вроде нашего Млечного Пути. Эта теория называется иерархическим формированием по принципу «снизу вверх», и она была настолько общепринятой, что сомневаться в ней считалось чуть ли не научной ересью.
А потом в космос запустили телескоп Джеймса Уэбба. И началось такое, что впору хвататься за голову.
Оказывается, Вселенная не читала наших учебников. Массивные, полностью сформированные галактики обнаруживаются там, где их быть не должно — в такую раннюю эпоху, когда по всем расчётам они просто не успели бы собраться из мелких кирпичиков. Это всё равно что найти готовый небоскрёб на стройплощадке, где только вчера залили фундамент. Либо наши часы врут, либо архитектор Вселенной работает по совершенно иным чертежам, чем мы думали.
И вот тут начинается самое интересное — потому что речь идёт не о мелкой корректировке формул, а о потенциальном пересмотре всего, что мы знали о рождении космических структур.
Красивая сказка о космическом Lego
Давайте разберёмся, откуда вообще взялась эта иерархическая модель. После Большого взрыва Вселенная представляла собой раскалённый суп из элементарных частиц. По мере расширения и остывания материя начала сбиваться в сгустки под действием гравитации. Согласно стандартной космологической модели — той самой ΛCDM (Лямбда-CDM), которую преподают во всех университетах мира — первыми сконденсировались небольшие облака тёмной материи. Эти облака, называемые гало, стали гравитационными колыбелями для обычного вещества.
Дальше — больше. Маленькие гало сливались в гало покрупнее, те — в ещё более массивные структуры. Обычная материя, падая в эти гравитационные ямы, разогревалась, охлаждалась, формировала звёзды. Карликовые галактики сталкивались друг с другом, порождая галактики средних размеров. Средние поглощали мелочь и объединялись между собой, создавая галактических гигантов.
Красиво, правда? Логично. Последовательно. Как сборка конструктора Lego: сначала мелкие детальки, потом всё более сложные конструкции.
Проблема в том, что эта схема опиралась на компьютерные симуляции и математические модели. А когда дело дошло до реальных наблюдений самых далёких — а значит, самых древних — галактик, выяснилось кое-что неприятное. Вселенная, похоже, играла совсем в другую игру.
Когда реальность не читала учебники
Первые тревожные звоночки прозвенели ещё до Уэбба. Телескоп Хаббл начал находить подозрительно массивные галактики на красных смещениях, соответствующих возрасту Вселенной менее двух миллиардов лет. Но тогда можно было списать всё на погрешности измерений, на неточности в определении расстояний, на что угодно. Учёные мастерски умеют не замечать то, что не вписывается в парадигму — это не злой умысел, а особенность человеческого мышления.
Однако телескоп Джеймса Уэбба (JWST) сделал невозможным дальнейшее закрывание глаз. Его инфракрасные детекторы способны заглянуть в такие глубины космоса, куда не добирался ни один инструмент. И то, что он там увидел, заставило астрофизиков нервно закуривать.
Галактики. Огромные, полностью сформированные, структурированные галактики — всего через 300-400 миллионов лет после Большого взрыва. Для контекста: это примерно 3% от нынешнего возраста Вселенной. По иерархической модели такие монстры должны были собираться миллиарды лет. Миллиарды! А они уже тут, сверкают себе, крутят спиральные рукава, как ни в чём не бывало.
Особенно нашумела галактика, получившая прозаическое название JADES-GS-z14-0. Эта штука существовала, когда Вселенной было около 290 миллионов лет, и при этом содержала массу в сотни миллионов солнц. Откуда? Как? По какому такому волшебству?
Джеймс Уэбб — разрушитель догм
Каждый месяц приносит новые открытия, и каждое из них — ещё один гвоздь в крышку гроба иерархической модели. Ну, или как минимум серьёзная вмятина.
Взять хотя бы так называемые «невозможные» галактики — целую популяцию объектов, которые слишком массивны, слишком структурированы и слишком богаты тяжёлыми элементами для своего возраста. Тяжёлые элементы — это отдельная головная боль. Они образуются в недрах звёзд и выбрасываются в космос при взрывах сверхновых. Чтобы накопить достаточно углерода, кислорода, железа, нужны поколения звёзд. Поколения! А эти древние галактики уже демонстрируют зрелый химический состав.
Некоторые исследователи, впрочем, пытаются спасти положение. Может, говорят они, мы неправильно калибруем инструменты? Может, красные смещения интерпретируются с ошибками? Может, пыль искажает картину? Это нормальный научный скептицизм, и он необходим. Но с каждым новым подтверждением пространство для манёвра сужается.
Появляются статьи с говорящими заголовками вроде «Кризис ранних массивных галактик» и «ΛCDM под угрозой». Конечно, заголовки научных статей обычно куда скучнее, но суть передана верно. Сообщество реально нервничает. Одно дело — аномалия, которую можно объяснить. Другое дело — систематическое расхождение теории с наблюдениями.
И самое пикантное: чем больше данных собирает Уэбб, тем очевиднее становится, что ранняя Вселенная была куда более бурным и продуктивным местом, чем предполагали наши модели.
А что если всё было наоборот?
Если модель «снизу вверх» буксует, логично спросить: а что если галактики формировались «сверху вниз»? Эта идея, кстати, не нова. Ещё в 1970-х советский физик Яков Зельдович предлагал сценарий, при котором сначала возникали огромные структуры — так называемые «блины Зельдовича» — а уже потом они фрагментировались на галактики поменьше.
Тогда модель Зельдовича проиграла конкуренцию иерархическому подходу, потому что не объясняла некоторые наблюдения. Но, возможно, истина где-то посередине? Возможно, оба механизма работали параллельно, и их соотношение менялось на разных этапах эволюции Вселенной?
Появляются новые теоретические работы, предлагающие гибридные модели. В них ранняя Вселенная характеризуется интенсивным прямым коллапсом — когда гигантские облака газа схлопываются напрямую, без промежуточных стадий, образуя массивные галактики практически мгновенно по космическим меркам. Параллельно идёт и иерархическое слияние, но оно уже не является единственным или даже главным механизмом.
Есть гипотезы о роли сверхмассивных чёрных дыр как затравочных центров галактикообразования. Традиционно считалось, что сначала галактика, потом чёрная дыра в центре. Но что если наоборот? Что если первичные чёрные дыры, возникшие ещё до появления звёзд, создавали гравитационные колодцы, в которые стремительно падала материя?
Пересматривается и роль тёмной материи. А что если её свойства отличаются от тех, что заложены в стандартную модель? Что если она «теплее», то есть частицы двигаются быстрее? Или что если тёмная материя вообще не существует в том виде, как мы её представляем, и нужны модификации гравитации?
Наука на распутье
Что всё это значит в более широком контексте? А значит это, друзья, что наука — не собрание вечных истин, выбитых на скрижалях. Наука — это процесс, причём процесс болезненный, неуклюжий и полный ошибок. Мы строим модели, они какое-то время работают, потом приходят новые данные — и модели трещат по швам.
Космология ХХ века была триумфом человеческого разума. Мы поняли расширение Вселенной, открыли реликтовое излучение, построили стройную картину от Большого взрыва до наших дней. Но этот успех, возможно, вскружил нам голову. Мы решили, что всё поняли, что осталось только уточнить детали.
А Вселенная взяла и показала язык.
Впрочем, это не повод для пессимизма. Кризис в науке — это не катастрофа, а возможность. Когда старые теории перестают работать, открывается пространство для новых идей. Может быть, прямо сейчас какой-нибудь аспирант в захолустном университете пишет диссертацию, которая перевернёт всю космологию. Или не аспирант — искусственный интеллект, обрабатывающий терабайты данных Уэбба.
История науки знает немало примеров, когда «незначительные аномалии» приводили к революциям. Проблема перигелия Меркурия казалась мелочью — а привела к общей теории относительности. Ультрафиолетовая катастрофа выглядела технической заковыкой — а открыла дверь в квантовую механику.
Чем окажется кризис ранних галактик? Пока неизвестно. Но скучно точно не будет.
Вселенная существовала 13,8 миллиарда лет без нашего мнения о ней и прекрасно проживёт ещё столько же. Это мы вынуждены подстраивать свои теории под реальность, а не наоборот. Телескоп Джеймса Уэбба стал зеркалом, в котором космология увидела собственные ограничения. Галактики не формируются «снизу вверх» — или, по крайней мере, не только так. Ранняя Вселенная была местом куда более динамичным, творческим и непредсказуемым, чем рисовали наши компьютерные симуляции. И это прекрасно. Потому что застывшая наука — мёртвая наука. А живая наука всегда готова признать: мы были не правы, давайте разбираться заново. Именно это сейчас и происходит — медленно, со скрипом, с сопротивлением, но неизбежно. Вселенная, как всегда, оказалась интереснее наших представлений о ней.