Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) был специально предназначен для решения некоторых из величайших нерешенных вопросов космологии. К ним относятся все основные вопросы, над которыми ученые размышляли со времен Космический телескоп Хаббл (HST) представил самые глубокие взгляды на Вселенную: напряжение Хаббла, как соединились первые звезды и галактики, как сформировались планетные системы и когда появились первые черные дыры. В частности, Хаббл заметил нечто очень интересное в 2003 году, наблюдая за звездой, почти такой же старой, как сама Вселенная.
На орбите этой древней звезды вращалась массивная планета, само существование которой противоречило общепринятым моделям формирования планет, поскольку звезды ранней Вселенной не успевали производить достаточно тяжелых элементов для формирования планет. Благодаря недавним наблюдениям JWST международная группа учёных объявила, что, возможно, им удалось решить эту загадку. Наблюдая за звездами в Малом Магеллановом Облаке (БМО), в котором отсутствует большое количество тяжелых элементов, они обнаружили звезды с дисками, образующими планеты, которые живут дольше, чем те, которые наблюдаются вокруг молодых звезд в нашей галактике Млечный Путь.
Исследование возглавил Гвидо Де Марчи, астроном Европейского центра космических исследований и технологий (ESTEC) в Нордвейке, Нидерланды. К нему присоединились исследователи из INAF Osservatorio Astronomico di Roma, Научного института космического телескопа (STScI), Обсерватории Джемини/NSF NOIRLab, Британского центра астрономических технологий (UK ATC), Института астрономии Эдинбургского университета, Лейденского университета. Обсерватория, Европейское космическое агентство (ЕКА), Исследовательский центр Эймса НАСА и Лаборатория реактивного движения НАСА. Статья с подробным описанием их выводов появилась 16 декабря в Астрофизический журнал.
Согласно принятым космологическим моделям, первые звезды во Вселенной (звезды Населения III) образовались 13,7 миллиардов лет назад, всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Эти звезды были очень горячими, яркими, массивными, недолговечными и состояли из водорода и гелия с очень небольшим количеством тяжелых элементов. Эти элементы постепенно формировались в недрах звезд населения III, которые распространяли их по всей Вселенной, когда они взрывались сверхновыми и срывали свои внешние слои, образуя звездообразующие туманности.
Эти туманности и их следы более тяжелых элементов сформируют следующее поколение звезд (Население II). После того как эти звезды сформировались из газа и пыли в туманности, подвергшейся гравитационному коллапсу, оставшийся материал выпал вокруг новых звезд, образовав протопланетные диски. В результате последующие популяции звезд содержали более высокие концентрации металлов (также известных как металличность). Присутствие этих тяжелых элементов, от углерода и кислорода до кремнезема и железа, привело к образованию первых планет.
Как таковой, ХабблОткрытие астрономами массивной планеты (в 2,5 раза больше массы Юпитера) вокруг звезды, существовавшей всего через 1 миллиард лет после Большого взрыва, поставило ученых в тупик, поскольку ранние звезды содержали лишь незначительное количество более тяжелых элементов. Это подразумевало, что формирование планет началось, когда Вселенная была еще очень молода, и некоторые планеты успели стать особенно массивными. Елена Сабби, главный научный сотрудник обсерватории Близнецов в NOIRLab Национального научного фонда, объяснила в пресс-релизе НАСА:
«Современные модели предсказывают, что при таком небольшом количестве более тяжелых элементов диски вокруг звезд имеют короткий срок жизни, настолько короткий, что планеты не могут вырасти большими. Но Хаббл действительно видел эти планеты, так что, если модели неверны и диски смогут жить дольше?»
Чтобы проверить эту теорию, команда использовала Уэбба для наблюдения за массивным звездообразующим скоплением NGC 346 в Малом Магеллановом Облаке, карликовой галактике и одном из ближайших соседей Млечного Пути. Также известно, что это звездное скопление содержит относительно небольшое количество более тяжелых элементов и служило ближайшим аналогом звездной среды в ранней Вселенной. Более ранние наблюдения NGC 346, проведенные Хабблом, показали, что многие молодые звезды в скоплении (возрастом от ~20 до 30 миллионов лет), по-видимому, все еще имеют вокруг себя протопланетные диски. Это также было удивительно, поскольку считалось, что такие диски рассеиваются через 2–3 миллиона лет.
Благодаря УэббИспользуя сложные спектрометры высокого разрешения, ученые теперь имеют первые в истории спектры молодых звезд типа Солнца и их окружения в соседней галактике. Как сказал руководитель исследования Гвидо Де Марчи из Европейского центра космических исследований и технологий в Нордвейке:
«Результаты Хаббла были противоречивыми и противоречили не только эмпирическим данным в нашей галактике, но и текущим моделям. Это было интригующе, но не имея возможности получить спектры этих звезд, мы не могли точно установить, наблюдаем ли мы настоящую аккрецию и наличие дисков или просто какие-то искусственные эффекты».
«Мы видим, что эти звезды действительно окружены дисками и все еще находятся в процессе поглощения материала, даже в относительно старом возрасте в 20 или 30 миллионов лет. Это также означает, что у планет есть больше времени для формирования и роста вокруг этих звезд, чем в близлежащих регионах звездообразования в нашей собственной галактике».
Эти открытия, естественно, поднимают вопрос о том, как диски с небольшим количеством тяжелых элементов (самы строительные блоки планет) могут существовать так долго. Исследователи предложили два различных механизма, которые могли бы объяснить эти наблюдения, по отдельности или в сочетании. Одна из возможностей заключается в том, что радиационное давление звезды может быть эффективным только в том случае, если в диске в достаточных количествах присутствуют элементы тяжелее водорода и гелия. Однако скопление NGC 346 содержит лишь около десяти процентов более тяжелых элементов нашего Солнца, поэтому звезде в этом скоплении может потребоваться больше времени, чтобы рассеять свой диск.
Вторая возможность заключается в том, что там, где более тяжелых элементов мало, звезда, подобная Солнцу, должна будет сформироваться из более крупного облака газа. Это также привело бы к образованию более крупного и массивного протопланетного диска, на выдувание которого потребуется больше времени. Сказал Сабби:
«Поскольку вокруг звезд больше материи, аккреция длится дольше. Дискам требуется в десять раз больше времени, чтобы исчезнуть. Это влияет на то, как вы формируете планету, и на тип системной архитектуры, которую вы можете иметь в этих различных средах. Это так захватывающе».
«Благодаря Уэббу у нас есть действительно убедительное подтверждение того, что мы видели с помощью Хаббла, и мы должны переосмыслить то, как мы моделируем формирование планет и раннюю эволюцию в молодой Вселенной», — добавил Марчи.
Как и многие наблюдения Уэбба, эти открытия являются подходящим напоминанием о том, для чего был разработан космический телескоп следующего поколения. Помимо подтверждения Хаббловского напряжения, JWST наблюдал в ранней Вселенной больше галактик (и более крупных!), чем предсказывали модели. Он также заметил, что зародыши сверхмассивных черных дыр (СМЧД) оказались более массивными, чем ожидалось. В этом отношении JWST выполняет свою работу, заставляя астрономов переосмыслить теории, которые были приняты на протяжении десятилетий. Из этого последуют новые теории и открытия, которые могут перевернуть то, что, как мы думаем, мы знаем о космосе.
Дополнительная литература: НАСА, Астрофизический журнал
