Как молодые галактики в ранней Вселенной могут иметь древние звезды? Это вопрос, на который группа астрономов решила ответить, используя JWST в качестве зонда. Они впервые заметили массивные объекты в 2022 году и все еще работают над объяснением того, что это такое.
Чувствительный к инфракрасному излучению недавно JWST нацелился на три из этих объектов. Интересно, что они обнаружили, что они излучают свет звезд, которые кажутся загадочно старыми. Сами галактики были видны такими, какими они появились примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Они совсем не похожи на спирали и эллиптические тела, которые мы видим в более «современной» Вселенной.
«Мы подтвердили, что они, по-видимому, заполнены древними звездами — возрастом в сотни миллионов лет — во Вселенной, которой всего 600-800 миллионов лет. Примечательно, что эти объекты удерживают рекорд по самым ранним признакам старого звездного света», — сказал Бинцзе Ван, научный сотрудник Университета штата Пенсильвания и ведущий автор статьи, описывающей находку. «Было совершенно неожиданно обнаружить старые звезды в очень молодой Вселенной. Стандартные модели космологии и формирования галактик оказались невероятно успешными, однако эти светящиеся объекты не совсем вписываются в эти теории».
Помимо древних звезд, данные JWST также показывают существование неожиданно больших сверхмассивных черных дыр в галактиках. «Это очень запутанно», — сказал Джоэл Леха, доцент кафедры астрономии и астрофизики в Университете штата Пенсильвания. «Вы можете заставить это неудобно вписаться в нашу текущую модель Вселенной, но только если мы вызовем некое экзотическое, безумно быстрое формирование в начале времени. Это, без сомнения, самый необычный и интересный набор объектов, которые я видел за свою карьеру».
Что дают такие галактики и древние звезды?
Поскольку JWST может легко вернуться к чрезвычайно ранним эпохам космического времени, эти результаты показывают, какими были самые ранние объекты. Это пока не объясняет, как такие старые звезды существуют так скоро после рождения Вселенной. Если им действительно несколько сотен миллионов лет, то они начали формироваться очень рано в космическом времени. Возможно, они родились гораздо раньше, чем думают астрономы. Их формирование пока скрыто от нашего взгляда. Итак, трудно точно сказать, когда впервые начался процесс рождения звезд.
Это одна из проблем, которую инфракрасные возможности JWST должны помочь объяснить, особенно когда астрономы используют его для более глубокого изучения самых ранних космических эпох. Он показывает объекты, излучающие неинфракрасный свет (УФ), растянутый расширением Вселенной в инфракрасный. Этот так называемый «древний» свет исходит от многочисленных объектов, включая звезды, галактики и активные сердца галактик. Как отмечает Ван, неясно, какие части излучаемого света исходят от разных объектов. Он может исходить от ранних галактик, которые кажутся неожиданно старыми и более массивными, чем наша Галактика Млечный Путь. Если это так, то они образовались намного раньше, чем подозревают астрономы. Также возможно, что свет исходит от галактик с более нормальной массой со «сверхмассивными» черными дырами. Эти сверхмассивные монстры могут быть примерно в сто-тысячу раз массивнее, чем такая галактика могла бы быть в «недавней» Вселенной.
«Различить свет от материала, падающего в черную дыру, и свет, излучаемый звездами в этих крошечных, далеких объектах, сложно», — сказал Ван. «Эта неспособность обнаружить разницу в текущем наборе данных оставляет достаточно места для интерпретации этих интригующих объектов. Честно говоря, очень здорово, что так много этой тайны еще предстоит разгадать».
Подробнее о неожиданно больших и ранних сверхмассивных черных дырах
Если свет, который обнаруживает JWST, действительно исходит из областей вокруг сверхмассивных черных дыр, тогда вам придется задуматься о том, почему они такие яркие в столь ранние исторические времена. Поскольку они светятся в инфракрасном диапазоне, это означает, что исходное излучение было в ультрафиолетовом свете. А яркость означает, что происходит большая активность, излучающая свет. Это означает, что масса центральной СМЧД гораздо больше, чем ожидалось. И, по словам соавтора Джоэла Леха, это сбивает с толку, потому что эти объекты, похоже, не соответствуют существующим моделям ранней Вселенной.
«Обычно сверхмассивные черные дыры образуют пары с галактиками», — сказал он. «Они растут вместе и проходят все основные этапы своей жизни вместе. Но здесь у нас полностью сформированная взрослая черная дыра, живущая внутри того, что должно быть молодой галактикой. Это на самом деле не имеет смысла, потому что эти вещи должны расти вместе, или, по крайней мере, так мы думали».
Нужно больше данных о древних звездах и детских галактиках
По словам Леи, это молодые галактики, эти системы имеют диаметр всего несколько сотен световых лет. Напротив, наша Галактика Млечный Путь имеет диаметр около 100 000 световых лет (плюс-минус). Однако эти крошечные галактики содержат примерно такое же количество звезд, как и Млечный Путь — от 10 миллиардов до триллиона звезд. «Эти ранние галактики были настолько насыщены звездами — звездами, которые, должно быть, сформировались таким образом, которого мы никогда не видели, в условиях, которых мы никогда не ожидали в период, когда мы никогда не ожидали их увидеть», — сказал он. «И по какой-то причине Вселенная перестала создавать подобные объекты всего через пару миллиардов лет. Они уникальны для ранней Вселенной».
Очевидно, что JWST нужно будет провести больше исследований, чтобы помочь объяснить эти аномальные объекты в молодой Вселенной. В частности, астрономы захотят узнать больше о том, как древние звезды появились так рано в истории. Будущие наблюдения должны предоставить более глубокий, более продолжительный спектральный взгляд на все эти объекты. Это позволит астрономам различать свет от звезд и свет из областей вокруг сверхмассивных черных дыр. Каждый из этих объектов имеет свой собственный определенный световой «отпечаток», который сообщает астрономам, что это такое. Ответы, которые они получат, помогут им понять не только эволюцию ранних звезд и их галактик, но и продолжающиеся вопросы, связанные с происхождением и ростом сверхмассивных черных дыр так рано в космическом времени.
Для дополнительной информации
Крошечные яркие объекты, обнаруженные на заре Вселенной, поставили ученых в тупик
RUBIES: эволюционировавшие звездные популяции с длительной историей формирования на z ~ 7–8 в кандидатах на массивные галактики, идентифицированных с помощью JWST/NIRSpec
