Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) — самый большой и мощный космический телескоп, созданный на сегодняшний день. С момента своего запуска в декабре 2021 года он предоставил революционные идеи. Это включает в себя открытие самых ранних и самых далеких известных галактик, существовавших всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва.
Удаленные объекты также очень старые, потому что свету от этих объектов требуется много времени, чтобы достичь телескопов. JWST уже обнаружил несколько таких очень ранних галактик. В каком-то смысле мы оглядываемся на эти объекты и видим их такими, какими они появились вскоре после рождения Вселенной.
Эти наблюдения JWST согласуются с нашим нынешним пониманием космологии – научной дисциплины, целью которой является объяснение Вселенной – и формирования галактик. Но они также раскрывают аспекты, которых мы не ожидали. Многие из этих ранних галактик сияют гораздо ярче, чем мы могли бы ожидать, учитывая, что они существовали всего через короткое время после Большого взрыва.
Считается, что более яркие галактики имеют больше звезд и большую массу. Считалось, что образование звезд такой величины потребует гораздо больше времени. В центрах этих галактик также есть активно растущие черные дыры — признак того, что эти объекты быстро созрели после Большого взрыва. Как мы можем объяснить эти удивительные открытия? Нарушают ли они наши представления о космологии или требуют изменения возраста Вселенной?
Учёным удалось изучить эти ранние галактики, объединив подробные изображения JWST с мощными спектроскопическими возможностями. Спектроскопия — это метод интерпретации электромагнитного излучения, излучаемого или поглощаемого объектами в космосе. Это, в свою очередь, может предоставить информацию о свойствах объекта.
Наше понимание космологии и формирования галактик основано на нескольких фундаментальных идеях. Одним из них является космологический принцип, который утверждает, что Вселенная в целом однородна (одинакова повсюду) и изотропна (одинакова во всех направлениях). В сочетании с общей теорией относительности Эйнштейна этот принцип позволяет нам связать эволюцию Вселенной – то, как она расширяется или сжимается – с ее энергетическим и массовым содержанием.
Стандартная космологическая модель, известная как теория «Горячего Большого Взрыва», включает в себя три основных компонента или ингредиента. Одна из них — обычная материя, которую мы можем видеть глазами в галактиках, звездах и планетах. Второй компонент — холодная темная материя (ХТМ), медленно движущиеся частицы материи, которые не излучают, не поглощают и не отражают свет.
Третья компонента — это так называемая космологическая постоянная (Λ или лямбда). Это связано с так называемой темной энергией и является объяснением ускорения расширения Вселенной. Вместе эти компоненты образуют так называемую модель космологии ΛCDM.
Сегодня темная энергия составляет около 68% общего энергетического содержания Вселенной.
Хотя темную материю невозможно наблюдать напрямую с помощью научных инструментов, считается, что она составляет большую часть материи в космосе, составляя около 27% общей массы и энергии Вселенной.
Хотя темная материя и темная энергия остаются загадкой, космологическая модель ΛCDM подтверждается множеством подробных наблюдений. К ним относятся измерения расширения Вселенной, космического микроволнового фона или реликтового излучения («послесвечения» Большого взрыва), а также эволюции галактик и их крупномасштабного распределения – например, того, как галактики группируются вместе.
Модель ΛCDM закладывает основу для нашего понимания формирования и эволюции галактик. Например, реликтовое излучение, излучаемое примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, дает представление о ранних флуктуациях плотности, которые происходили в ранней Вселенной. Эти колебания, особенно темной материи, в конечном итоге привели к появлению структур, которые мы наблюдаем сегодня, таких как галактики и звезды.
Как образуются звезды
Формирование галактик состоит из сложных процессов, на которые влияет множество различных физических явлений. Некоторые из этих механизмов еще не до конца изучены, например, какие процессы контролируют охлаждение и конденсацию газа в галактиках с образованием звезд.
Эффекты сверхновых, звездных ветров и черных дыр, излучающих значительное количество энергии (иногда называемых активными ядрами галактик или АЯГ), могут нагревать или вытеснять газ из галактик. Это, в свою очередь, может способствовать или замедлять звездообразование и, таким образом, влиять на рост галактик.
Эффективность и масштабы этих «процессов обратной связи», а также их совокупный эффект с течением времени плохо изучены. Они представляют собой значительный источник неопределенности в математических моделях или симуляциях формирования галактик.
За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в комплексном численном моделировании формирования галактик. Понимание и подсказки все еще можно получить с помощью более простых симуляций и моделей, которые связывают звездообразование с эволюцией гало темной материи. Эти гало представляют собой массивные невидимые структуры из темной материи, которые эффективно удерживают внутри себя галактики.
Одна из более простых моделей формирования галактик предполагает, что скорость образования звезд в галактике напрямую зависит от газа, поступающего в эти галактики. Эта модель также предполагает, что скорость звездообразования в галактике пропорциональна скорости роста гало темной материи. Он предполагает фиксированную эффективность преобразования газа в звезды, независимую от космического времени.
Эта модель «постоянной эффективности звездообразования» согласуется с резким увеличением звездообразования в первый миллиард лет после Большого взрыва. Быстрый рост гало темной материи в этот период создал бы необходимые условия для эффективного формирования звезд в галактиках. Несмотря на свою простоту, эта модель успешно предсказала широкий спектр реальных наблюдений, включая общую скорость звездообразования в космическом времени.
Тайны первых галактик
JWST открыл новую эру открытий. Благодаря своим передовым инструментам космический телескоп может захватывать как детальные изображения, так и спектры высокого разрешения — диаграммы, показывающие интенсивность электромагнитного излучения, излучаемого или поглощаемого объектами на небе. Для JWST эти спектры лежат в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра. Изучение этой области имеет решающее значение для наблюдения за ранними галактиками, оптический свет которых сместился в ближнюю инфракрасную область (или «красное смещение») по мере расширения Вселенной.
Красное смещение описывает, как длины волн света от галактик растягиваются по мере их движения. Чем дальше находится галактика, тем больше ее красное смещение.
За последние два года JWST идентифицировал и охарактеризовал галактики с красным смещением от десяти до 15. Эти галактики, образовавшиеся примерно через 200-500 миллионов лет после Большого взрыва, относительно малы для галактик (около 100 парсеков или 3). Квадриллион километров в диаметре). Каждая из них состоит примерно из 100 миллионов звезд и образует новые звезды со скоростью примерно одну солнечную звезду в год.
Хотя это звучит не очень впечатляюще, это означает, что эти системы удваивают свое звездное содержание всего за 100 миллионов лет. Для сравнения: нашему Млечному Пути требуется около 25 миллиардов лет, чтобы удвоить свою звездную массу.
Раннее формирование галактик
Удивительные открытия JWST о ярких галактиках на больших красных смещениях или расстояниях могут указывать на то, что после Большого взрыва эти галактики созрели быстрее, чем ожидалось. Это важно, потому что это поставит под сомнение существующие модели формирования галактик. Хотя описанная выше модель постоянной эффективности звездообразования объясняет многое из того, что мы видим, она с трудом объясняет большое количество ярких и далеких галактик, наблюдаемых с красным смещением более десяти.
Чтобы решить эту проблему, ученые изучают различные варианты. Это включает в себя изменения в их теориях о том, насколько эффективно газ с течением времени превращается в звезды. Они также переосмысливают относительную важность процессов обратной связи – как такие явления, как сверхновые и черные дыры, также помогают регулировать звездообразование.
Некоторые теории предполагают, что звездообразование в ранней Вселенной могло быть более интенсивным или «экспансивным», чем считалось ранее, что привело к быстрому росту этих ранних галактик и их видимой яркости.
Другие предполагают, что различные факторы, такие как меньшее количество галактической пыли, сильное распределение звездных масс или влияние таких явлений, как активные черные дыры, могут быть ответственны за неожиданную яркость этих ранних галактик.
Эти объяснения приводят к изменениям в физике формирования галактик, которые могут объяснить результаты JWST. Но ученые также рассмотрели модификации общих космологических теорий. Например, обилие ранних ярких галактик можно частично объяснить изменением так называемого спектра мощности материи. Это один из способов описания различий в плотности во Вселенной.
Одним из возможных механизмов достижения такого изменения в спектре мощности материи является теоретическое явление, называемое «ранней темной энергией». Это идея о том, что новый космологический источник энергии, похожий на темную энергию, мог существовать в древние времена при красном смещении 3000. Это было до испускания реликтового излучения и всего через 380 000 лет после Большого взрыва.
Эта ранняя темная энергия должна была быстро распасться после этапа эволюции Вселенной, известного как рекомбинация. Интересно, что ранняя темная энергия также могла бы смягчить напряжение Хаббла — расхождение между различными оценками возраста Вселенной.
В статье, опубликованной в 2023 году, предполагается, что открытия галактик, полученные JWST, потребовали от ученых увеличения возраста Вселенной на несколько миллиардов лет.
Однако за яркие галактики могут быть ответственны и другие явления. Прежде чем наблюдения JWST будут использованы для внесения изменений в общие представления о космологии, необходимо более детальное понимание физических процессов в галактиках.
Текущий рекордсмен самой далекой галактики, идентифицированной JWST, называется JADES-GS-z14-0. Собранные к настоящему времени данные позволяют предположить, что эти галактики обладают широким спектром различных свойств.
Некоторые галактики демонстрируют признаки наличия черных дыр, излучающих энергию, в то время как другие, по-видимому, указывают на то, что они содержат молодые, свободные от пыли популяции звезд. Поскольку эти галактики слабые и их наблюдение дорого (экспозиция занимает несколько часов), с помощью спектроскопии пока удалось наблюдать только 20 галактик с красным смещением больше десяти, и на создание статистической выборки потребуются годы.
Другим направлением атаки могут быть наблюдения галактик в более поздние космические времена, когда Вселенной было от 1 до 2 миллиардов лет (красное смещение от трех до девяти). Возможности JWST позволяют исследователям получить доступ к важнейшим индикаторам звезд и газа в этих объектах, которые можно использовать для определения всей истории формирования галактик.
Уничтожить вселенную?
В первый год работы JWST утверждалось, что некоторые из самых ранних галактик имели чрезвычайно высокие звездные массы (массы содержащихся в них звезд) и что потребовались изменения в космологии, чтобы приспособить яркие галактики, существовавшие в самой ранней Вселенной. . Их даже называли галактиками-разрушителями вселенной.
Вскоре стало ясно, что эти галактики не уничтожат Вселенную, но их свойства можно объяснить рядом различных явлений. Более качественные данные наблюдений показали, что расстояния до некоторых объектов были завышены (что привело к завышению их звездных масс).
Световое излучение этих галактик может быть вызвано источниками, отличными от звезд, например, аккрецирующими черными дырами. Допущения в моделях или симуляциях также могут привести к отклонениям в общей массе звезд в этих галактиках.
Продолжая свою миссию, JWST поможет ученым усовершенствовать свои модели и ответить на некоторые из наиболее фундаментальных вопросов о нашем космическом происхождении. Оно должно раскрыть еще больше тайн о самых ранних днях существования Вселенной, включая тайну этих ярких, далеких галактик.
