На этом снимке, полученном с помощью NIRCam (камеры ближнего инфракрасного диапазона) Уэбба, отмечено несколько далёких галактик – они выделены белыми кругами, идущими по диагональной, похожей на нить линии. Эта нить длиной 3 миллиона световых лет завершается очень далёким и ярким квазаром - галактикой с активной сверхмассивной чёрной дырой в центре. Квазар, названный J0305-3150, находится в центре скопления из трёх кругов в правой части изображения. Его яркость затмевает галактику-хозяина. 10 отмеченных галактик существовали уже через 830 миллионов лет после Большого взрыва. Команда учёных считает, что зачаточная нить космической паутины со временем превратится в массивное скопление галактик

Космическая паутина - это крупномасштабная структура Вселенной. Если бы вы могли наблюдать за развитием нашего космоса от Большого взрыва до наших дней, вы бы увидели, как составляющие её галактические нити (и пустоты между ними) формируются на протяжении всего времени. Теперь астрономы при помощи Уэбба обнаружили десять галактик, которые вместе образуют очень раннюю версию подобной структуры, возникшей спустя всего 830 миллионов лет после начала Вселенной.

Космическая паутина зародилась как флуктуации плотности вещества в самой ранней Вселенной. Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва материя (в виде первобытного газа) сконденсировалась в узлы на пересечениях «стен» и «нитей» газа в ранней паутине. В этих узлах и нитях располагались первые звезды и галактики. Вполне естественно, что, оглядываясь назад во времени, астрономы ищут ранние версии космической паутины. Уэбб позволил им взглянуть на очень слабые, тусклые объекты, существовавшие вскоре после Большого взрыва.

Десять галактик, которые заметила команда, выстроились в тонкую нить длиной в три миллиона световых лет, за которую держится яркий квазар. Он удивил команду как своим размером, так и ролью в космической истории. «Это одна из самых ранних нитевидных структур, связанных с далёким квазаром, которые люди когда-либо находили», - добавил Фейдж Ванг из Университета Аризоны в Тусоне, главный исследователь этой программы.

Наблюдения Уэбба - часть программы наблюдений под названием ASPIRE: SPectroscopic survey of biased halos in the Reionization Era [Спектроскопический обзор смещённых гало в эпоху реионизации]. В ней используются изображения и спектры 25 квазаров, существовавших в то время, когда Вселенная начинала светиться после «тёмных веков». Идея состоит в том, чтобы изучить формирование самых ранних галактик, а также рождение первых чёрных дыр. Кроме того, команда надеется понять, как ранняя Вселенная обогащалась более тяжёлыми элементами («металлами» [в терминологии астрономов – то есть, элементами тяжелее гелия / прим. перев.]), и как все это происходило в эпоху реионизации.

Иллюстрация художника, показывающая временную шкалу ранней Вселенной с указанием некоторых ключевых временных периодов. Слева - ранний период существования Вселенной, когда слишком большая температура препятствовала большинству процессов. После этого идёт выброс излучения, которое сегодня мы называем реликтовым – в тот момент, когда Вселенная немного остыла. После этого жёлтым цветом показана нейтральная Вселенная - время до образования звёзд. Атомы водорода в нейтральной Вселенной должны были испускать радиоволны, которые мы можем обнаружить здесь, на Земле

Цели ASPIRE входят в комплекс мероприятий, направленных на улучшение понимания происхождения и эволюции Вселенной. «Последние два десятилетия исследований в области космологии дали нам глубокое понимание того, как формируется и развивается космическая сеть. Цель ASPIRE - понять, как включить появление самых ранних массивных чёрных дыр в нашу нынешнюю историю формирования космической структуры», - пояснил член команды Джозеф Хеннави из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Изучение ранних чёрных дыр

Квазары манят астрономов сквозь время и пространство. Их источник - сверхмассивные чёрные дыры, которые производят невероятное количество света и другого излучения, а также мощные джеты. Астрономы используют их как стандартные свечи для измерения расстояний, а также как способ изучения обширных областей пространства, через которые проходит их свет.

Художественное изображение квазара. По крайней мере, один из подобных объектов связан с ранней нитью космической паутины

По меньшей мере, восемь квазаров из исследования ASPIRE возникли благодаря чёрным дырам, образовавшимся менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Эти чёрные дыры имеют массу от 600 миллионов до 2 миллиардов солнечных. Это очень большая масса, и возникает много вопросов о возможностях такого быстрого роста. «Чтобы сформировать эти сверхмассивные чёрные дыры за столь короткое время, должны выполняться два критерия. Во-первых, необходимо начать рост с массивной "затравочной" чёрной дыры. Во-вторых, даже если эта "затравка" имеет массу, эквивалентную тысяче солнц, она все равно должна аккрецировать в миллион раз больше материи с максимально возможной скоростью в течение всей своей жизни», - объяснил Ванг.

Чтобы эти чёрные дыры росли так, как они росли, им требовалось много топлива. Их галактики также были довольно массивными, что могло объяснить наличие чудовищных чёрных дыр в их центрах. Эти чёрные дыры не только всасывали много материала, но и влияли на звездообразование. "Сильные ветры от чёрных дыр могут подавлять образование звёзд в галактике-хозяине. Такие ветры наблюдались в близлежащей Вселенной, но никогда не наблюдались непосредственно в эпоху реионизации", - говорит Янг. "Масштаб ветра связан со структурой квазара. По наблюдениям Уэбба мы видим, что такие ветры существовали в ранней Вселенной".

Почему именно «эпоха»?

Мы часто слышим о том, что астрономы хотят заглянуть в эпоху реионизации. Почему именно она представляет собой такую манящую цель? Она позволяет заглянуть в то время, когда формировались первые звезды и галактики. После Большого взрыва младенческая Вселенная находилась в горячем, плотном состоянии. Иногда мы слышим, что её называют «первобытным супом» космоса. Затем произошло расширение, и все начало остывать. Это позволило электронам и протонам объединиться и образовать первые нейтральные атомы газа. Это также позволило тепловой энергии Большого взрыва распространиться. Астрономы обнаруживают это излучение, смещённое в микроволновую часть электромагнитного спектра, и называют его «реликтовым излучением».

Визуализация того, как выглядела Вселенная, когда она переживала свою последнюю крупную трансформационную эпоху: эпоху реионизации

В расширяющемся материале этой ранней Вселенной были крошечные флуктуации плотности. И этим материалом был нейтральный водород. Звёзд и галактик ещё не было. Но со временем эти области с более высокой плотностью начали комковаться под действием гравитации, что привело к тому, что нейтральная материя тоже начала комковаться. Это привело к дальнейшему коллапсу областей высокой плотности, что в итоге привело к рождению первых звёзд. Они нагрели окружающую материю, в результате чего в нейтральных областях образовались дыры, через которые мог проходить свет. По сути, эти отверстия (пузырьки) в нейтральном газе позволили ионизирующему излучению распространяться дальше в пространстве. Это было началом эпохи реионизации. Через миллиард лет после Большого взрыва Вселенная была полностью ионизирована.

Как же объяснить такое раннее появление сверхмассивных чёрных дыр?

Что интересно, обнаруженные Уэббом ранние галактики вместе с их квазарами уже были полностью сформированы, а в их ядрах находились сверхмассивные чёрные дыры. Остаётся ключевой вопрос: как они стали такими большими так быстро? Их существование может кое-что рассказать астрономам об «избыточной плотности» в младенческом космосе. Ведь для формирования «зародыша» чёрной дыры необходим регион с избыточной плотностью, заполненный галактиками.

Однако до сих пор наблюдения, проводившиеся до открытия Уэбба, обнаружили лишь несколько галактик с избыточной плотностью вокруг самых ранних сверхмассивных чёрных дыр. Астрономам необходимо провести больше наблюдений в эту эпоху, чтобы объяснить, почему это может быть так. Программа ASPIRE должна помочь разрешить вопросы связи между образованием галактик и возникновением чёрных дыр в эту очень раннюю эпоху Вселенной. Попутно они также должны увидеть больше фрагментов крупномасштабной структуры космической паутины Вселенной в процессе её формирования.