В этот день три года назад мы стали свидетелями захватывающего запуска космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), самого большого и мощного телескопа, когда-либо запускавшегося людьми в космос.
На строительство ушло 30 лет, но за три коротких года работы JWST уже произвел революцию в нашем взгляде на космос.
Он исследовал нашу собственную Солнечную систему, исследовал атмосферы далеких планет в поисках признаков жизни и исследовал самые глубокие глубины, чтобы найти самые первые звезды и галактики, образовавшиеся во Вселенной.
Вот что JWST рассказал нам о ранней Вселенной с момента ее запуска — и о новых загадках, которые она открыла.
Страшные синие монстры
JWST раздвинул границы того, как далеко мы можем заглянуть во Вселенную, чтобы найти первые звезды и галактики. Поскольку атмосфера Земли находится в стороне, это место в космосе создает идеальные условия для заглядывания в глубины космоса с помощью инфракрасного света.
Нынешний подтвержденный JWST рекорд для самой далекой галактики относится к тому времени, когда Вселенной было всего около 300 миллионов лет. Удивительно, но за этот короткий промежуток времени этой галактике удалось сформировать массу, примерно в 400 миллионов раз превышающую массу нашего Солнца.
Это говорит о том, что звездообразование было чрезвычайно эффективным в ранней Вселенной, и эта галактика не единственная.
По мере роста галактик их звезды взрываются и образуется пыль. Чем больше галактика, тем больше пыли в ней содержится. Эта пыль придает галактикам красный цвет, поскольку поглощает синий свет. Но вот в чем загвоздка: JWST показал, что эти первые галактики потрясающе яркие, массивные, очень синие и не имеют никаких признаков пыли. Это настоящая загадка.
Существует множество теорий, объясняющих странную природу этих первых галактик. Существуют ли гигантские звезды, которые просто разрушаются под действием гравитации, не вызывая при этом массивных взрывов сверхновых?
Или же происходят настолько сильные взрывы, что вся пыль выбрасывается далеко за пределы галактики, обнажая голубое, свободное от пыли ядро? Возможно, пыль разрушается интенсивным излучением этих ранних экзотических звезд – мы просто пока не знаем.
Необычная химия в ранних галактиках
Ранние звезды были ключевыми строительными блоками того, что в конечном итоге стало жизнью. Вселенная началась только с водорода, гелия и небольшого количества лития. Все остальные элементы, от кальция в наших костях до кислорода в воздухе, которым мы дышим, были выкованы в ядрах этих звезд.
JWST обнаружил, что ранние галактики также обладают необычными химическими особенностями.
Они содержат значительное количество азота, намного больше, чем мы наблюдаем на нашем Солнце, тогда как большинство других металлов присутствуют в меньших количествах. Это говорит о том, что в ранней Вселенной происходили процессы, которые мы еще не до конца понимаем.
JWST показал, что наши модели того, как звезды управляют химической эволюцией галактик, все еще неполны, а это означает, что мы до сих пор не до конца понимаем условия, которые привели к нашему существованию.
Прямоугольниками отмечены апертуры спектрографов ближнего инфракрасного диапазона JWST, посредством которых свет улавливался и анализировался, чтобы раскрыть секреты химического состава галактик. Изображение предоставлено: Атек и др., 2024, Природа.
Маленькие вещи, которые положили конец космическим темным векам
Используя массивные скопления галактик, подобные гигантским лупам, чувствительные камеры JWST также могут заглянуть вглубь космоса, чтобы найти самые слабые галактики.
Мы пошли дальше, чтобы найти точку, в которой галактики становятся настолько тусклыми, что вообще больше не образуют звезд. Это помогает нам понять, при каких условиях заканчивается формирование галактик.
JWST еще не нашел этого предела. Однако было обнаружено множество слабых галактик, намного больше, чем ожидалось, испускающих более чем в четыре раза больше ожидаемых фотонов высокой энергии (легких частиц).
Открытие предполагает, что эти маленькие галактики, возможно, сыграли решающую роль в окончании космических «Темных веков» вскоре после Большого взрыва.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Загадочный случай с маленькими красными точками
Первые изображения JWST привели к еще одному драматическому и неожиданному открытию. Ранняя Вселенная была населена множеством «маленьких красных точек»: чрезвычайно компактных красных источников неизвестного происхождения.
Первоначально предполагалось, что это массивные сверхплотные галактики, что не должно было быть возможным, но детальные наблюдения за последний год выявили комбинацию глубоко загадочных и противоречивых свойств.
JWST-изображение скопления Пандоры (Abell 2744) показано на заднем плане с маленькой красной точкой, выделенной на синей вставке. На вставке на переднем плане слева показан монтаж нескольких маленьких красных точек, обнаруженных JWST. Фото предоставлено: Фуртак и др. и Матти и др., Астрофизический журнал, 2023–2024 гг.; Команды JWST-GLASS и UNCOVER
Яркий газообразный водород излучает свет с огромной скоростью в тысячи километров в секунду, что характерно для газа, вращающегося вокруг сверхмассивной черной дыры.
Это явление, называемое активным галактическим ядром, обычно указывает на безумное питание, при котором сверхмассивная черная дыра поглощает весь газ вокруг себя и быстро растет.
Но это не ваши активные галактические ядра. Во-первых, они не излучают заметное рентгеновское излучение, как обычно можно было бы ожидать. Что еще более увлекательно, так это то, что они, похоже, имеют характеристики звездного населения.
Могут ли эти галактики быть одновременно звездами и активными ядрами галактик? Или промежуточный этап эволюции? Какими бы они ни были, маленькие красные точки, скорее всего, научат нас чему-то об образовании сверхмассивных черных дыр и звезд в галактиках.
Невероятно ранние галактики
Помимо чрезвычайно ярких ранних галактик, JWST также обнаружил чрезвычайно мертвые трупы: галактики в ранней Вселенной, которые являются реликтами интенсивного звездообразования на космическом рассвете.
Эти тела были обнаружены Хабблом и наземными телескопами, но только JWST имел возможность проанализировать их свет, чтобы выяснить, как долго они были мертвы.
Были обнаружены некоторые чрезвычайно массивные галактики (такие же массивные, как наш нынешний Млечный Путь и более), которые сформировались в первые 700 миллионов лет космической истории. Наши нынешние модели формирования галактик не могут объяснить эти объекты — они слишком велики и сформировались слишком рано.
Мертвая галактика, наблюдаемая через 2 миллиарда лет после Большого взрыва. Небольшой красный источник на изображении космического телескопа Хаббл с точки зрения JWST оказывается чудовищной галактикой. Изображение предоставлено: Глейзбрук и др., Природа, 2024 г.
Космологи все еще спорят о том, можно ли скорректировать модели (например, раннее звездообразование могло быть чрезвычайно эффективным) или нам нужно переосмыслить природу темной материи и то, как она приводит к раннему коллапсу объектов.
В следующем году JWST обнаружит еще больше таких объектов и более подробно изучит существующие. В любом случае, мы скоро узнаем.
Что будет дальше с JWST?
Даже на первых шагах телескоп выявил многие недостатки наших нынешних моделей Вселенной. По мере того, как мы совершенствуем наши модели с учетом обновлений, которые принес нам JWST, нас больше всего волнуют неизвестные неизвестные.
Таинственные красные точки были скрыты от наших глаз. Что еще дремлет в глубинах космоса? JWST скоро нам расскажет.
Информация от: Разговором
