Когда в конце 2021 года был запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», мы ожидали потрясающих снимков и ярких научных результатов. К настоящему времени этот мощный космический телескоп оправдал наши ожидания. «Уэбб» показал нам такие вещи о ранней Вселенной, которых мы даже не предполагали.

Некоторые из этих результатов заставляют переписывать учебники по астрономии.

Учебники регулярно обновляются по мере того, как новые данные проходят через научный процесс. Но редко когда новые данные поступают с такой скоростью, с какой их выдаёт «Уэбб». Главы, посвящённые ранней Вселенной, нуждаются в значительном обновлении.

На недавно прошедшем в Берне (Швейцария) семинаре Международного института космической науки (ISSI) «Прорыв 2024» группа учёных подвела итоги работы телескопа на сегодняшний день. Их работа опубликована в новой статье под названием «Первый миллиард лет по данным "Уэбба"». Список авторов очень длинный, и они не преминули отметить, что свою роль сыграла ещё большая группа международных учёных. Как пишут авторы, чтобы использовать наблюдения «Уэбба» и продвинуть «коллективное понимание эволюции ранней Вселенной», необходимо международное научное сообщество.

Ранняя Вселенная — одна из главных научных целей «Уэбба». Его инфракрасные снимки позволяют увидеть свет древних галактик с большей чёткостью, чем у любого другого телескопа. Телескоп был разработан для непосредственного решения сложных вопросов, связанных с объектами Вселенной с большим красным смещением.

«Уэбб» помогает нам разбираться в следующих трёх объёмных вопросах, основополагающих для космологии.

Каковы физические свойства самых ранних галактик?

Ранняя Вселенная и её трансформации имеют фундаментальное значение для нашего понимания современной Вселенной. Галактики находились в зачаточном состоянии, звёзды формировались, а чёрные дыры образовывались и становились все более массивными.

Космический телескоп «Хаббл» был ограничен наблюдениями на уровне z=11. «Уэбб» отодвинул эту границу. В настоящее время наблюдения за высокосветящимися объектами достигли z=14,32. Астрономы считают, что «Уэбб» со временем сможет наблюдать галактики при z=20.

Первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва называются Космическим рассветом. «Уэбб» показал нам, что древние галактики во время космического рассвета были гораздо более светящимися и, следовательно, более крупными, чем мы ожидали. Галактика, обнаруженная телескопом при z=14,32, названная JADES-GS-z14-0, имеет несколько сотен миллионов солнечных масс. «В связи с этим возникает вопрос: как природа смогла создать такую яркую, массивную и большую галактику менее чем за 300 миллионов лет?» — пишут в сообщении НАСА учёные, участвующие в программе “JWST Advanced Deep Extragalactic Survey” (JADES).

Также оказалось, что они имеют разную форму, что в них содержится больше пыли, чем ожидалось, и что в них присутствует кислород. Присутствие кислорода указывает на то, что поколения звёзд уже жили и умирали. «Присутствие кислорода на таком раннем этапе жизни этой галактики является сюрпризом и предполагает, что несколько поколений очень массивных звёзд уже прожили свою жизнь до того, как мы увидели эту галактику», — пишут исследователи в своём сообщении.

«Все эти наблюдения в совокупности говорят нам о том, что JADES-GS-z14-0 не похожа на те типы галактик, существование которых в ранней Вселенной предсказывали теоретические модели и компьютерные симуляции», — продолжили они.

Какова природа активных галактических ядер в ранних галактиках?

Активные галактические ядра (AGN) — это сверхмассивные чёрные дыры (SMBH), которые активно аккрецируют материал и испускают джеты и ветры.

Квазары — это подтип AGN, чрезвычайно ярких и далёких, и наблюдения за квазарами показывают, что SMBH присутствовали в центрах галактик уже через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Но их происхождение оставалось загадкой. Астрофизики считают, что эти ранние SMBH были созданы из «семян» чёрных дыр, которые были либо «лёгкими», либо «тяжёлыми». Лёгкие семена имели массу от 10 до 100 солнечных масс и представляли собой звёздные остатки. Тяжёлые семена имели массу от 10 до 10^5 солнечных масс и возникали в результате прямого коллапса газовых облаков.

Способность «Уэбба» эффективно заглядывать в прошлое позволила ему обнаружить древнюю чёрную дыру на уровне z=10,3, содержащую от 10^7 до 10^8 солнечных масс. Космический телескоп «Хаббл» не позволял астрономам измерять звёздную массу целых галактик так, как это делает «Уэбб». Благодаря возможностям «Уэбба» астрономы знают, что чёрная дыра с z=10,3 имеет примерно такую же массу, как вся звёздная масса всей её галактики. Это резко контрастирует с современными галактиками, где масса чёрной дыры составляет лишь около 0,1 % от всей звёздной массы.

Такая массивная чёрная дыра, существовавшая всего около 500 миллионов лет после Большого взрыва, является доказательством того, что ранние чёрные дыры возникли из тяжёлых «семян». Это соответствует теоретическим предсказаниям. Таким образом, авторы учебника теперь могут устранить неопределённость.

Когда и как ранняя Вселенная стала ионизированной?

Мы знаем, что в ранней Вселенной водород стал ионизированным в эпоху реионизации. Свет от первых звёзд, аккрецирующих чёрных дыр и галактик нагрел и реионизировал водородный газ в межгалактической среде (МГС), устранив плотный, горячий, первобытный туман, которым была наполнена ранняя Вселенная.

Молодые звёзды были основным источником света для реионизации. Они создавали расширяющиеся пузыри ионизированного водорода, которые накладывались друг на друга. В конце концов пузыри стали расширяться, пока вся Вселенная не оказалась ионизированной.

Это был критический этап в развитии Вселенной. Он позволил будущим галактикам, особенно карликовым, охладить свой газ и сформировать звёзды. Но учёные не знают точно, как чёрные дыры, звезды и галактики способствовали реионизации и в какие сроки она происходила. «Мы знаем, что реионизация водорода произошла, но когда именно и как она произошла — это главный недостающий фрагмент в нашем понимании первого миллиарда лет», — пишут авторы новой работы.

Астрономы знали, что реионизация закончилась примерно через миллиард лет после Большого взрыва, на красном смещении z=5-6. Но до появления «Уэбба» было трудно измерить свойства вызвавшего её ультрафиолетового излучения. Благодаря расширенным спектроскопическим возможностям «Уэбба» астрономам удалось сузить параметры реионизации. «Мы обнаружили спектроскопически подтверждённые галактики вплоть до z = 13,2, что говорит о том, что реионизация могла начаться всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва», — пишут авторы.

Результаты «Уэбба» также показывают, что аккрецирующие чёрные дыры и их AGN, вероятно, внесли не более 25 % ультрафиолетового излучения, вызвавшего реионизацию.

Эти результаты потребуют некоторого пересмотра глав учебников по эпохе реионизации, хотя вопросы по этому поводу всё ещё остаются. «До сих пор ведутся серьёзные споры о первичных источниках реионизации, в частности, о вкладе слабых галактик», — пишут авторы. Даже несмотря на необычайную мощность «Уэбб», некоторые далёкие и слабые объекты остаются вне зоны его доступа.

Телескоп «Уэбб» ещё не прошёл и половины своего пути, а уже изменил наше понимание первых миллиардов лет существования Вселенной. Он был создан для решения вопросов, связанных с эпохой реионизации, первыми чёрными дырами, первыми галактиками и звёздами. Безусловно, впереди ещё много интересного. Кто знает, какова будет общая сумма его вклада?

Как автор текстов по астрономии, я чрезвычайно благодарен всем людям, которые привели «Уэбб» в действие. Его строительство заняло много времени, обошлось гораздо дороже, чем ожидалось, и было почти отменено Конгрессом. Его опасный путь к завершению делает меня ещё более благодарным за то, что я освещаю его результаты. Исследователи, использующие данные «Уэбб», несомненно, тоже благодарны.

«Мы посвящаем эту работу 20 000 человек, которые потратили десятилетия на то, чтобы сделать "Уэбб" невероятной машиной для открытий», — пишут они.