Международная группа учёных исследовала снимки, полученные космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST), и подтвердила выводы, сделанные ранее по итогам наблюдений с помощью телескопа «Хаббл» (Hubble): протопланетные диски могут сохраняться вокруг звёзд десятки миллионов лет.

Туманность NGC 346 на снимках «Хаббла» (слева) «Джеймс Уэбба» (справа). Источник изображений: nasa.gov

«Джеймс Уэбб» помог получить изображения туманности NGC 346 в карликовой галактике Малое Магелланово Облако, расположенной недалеко от нашего Млечного Пути. Эта туманность, в которой происходит активное звездообразование, по некоторым критериям повторяет условия, существовавшие в ранней Вселенной — в частности, здесь отсутствуют тяжёлые элементы, которые традиционно связываются с формированием планет. Спектральный анализ показал, что вокруг звёзд в этом регионе до сих пор присутствуют протопланетные диски. Это противоречит теории, согласно которой эти диски должны разлететься за несколько миллионов лет.

Жёлтыми окружностями обозначены десять звёзд, ставшие объектами исследования

«Наблюдения „Хаббла“ за NGC 346 с середины двухтысячных годов выявили множество звёзд возрастом примерно 20–30 млн лет, которые, видимо, ещё обладают дисками, из которых формируются планеты», — обращает внимание NASA. Без подробных доказательств такое предположение казалось спорным, но «Джеймс Уэбб» его подтвердил: у дисков в соседних галактиках гораздо больше времени, чтобы собрать пыль и газ, из которых формируется основа новой планеты.

Учёные предложили два объяснения для этого явления. Согласно первому, звёзды в NGC 346 создают «радиационное давление», из-за которого требуется больше времени для рассеивания протопланетных дисков. Согласно второму объяснению, большое газовое облако, необходимое для формирования звезды, подобной Солнцу, в среде с меньшим содержанием тяжёлых элементов естественным образом формирует более крупные диски, которые рассеиваются дольше.

«Откуда есть пошёл Млечный Путь?», — задаются вопросом учёные, если перефразировать Нестора-летописца. Восстановить пути эволюции нашей галактики можно, если изучать похожие объекты со времён их зарождения в ранней Вселенной. На триллионы галактик во Вселенной найдутся миллиарды мало отличимых от Млечного Пути. Одна из таких галактик обнаружена благодаря гравитационному линзированию. Это новорожденный близнец нашей галактики — ему всего 600 млн лет.

Источник изображения: NASA

Галактика-близнец Млечного Пути получила поэтическое имя Искорка Светлячка (Firefly Sparkle). Наши приборы никогда не засекли бы её (разве только как искорку), если бы на пути света от неё не попалось огромное галактическое скопление. Масса скопления создала эффект линзы, преломив и усилив свет от далёкой галактики. Благодаря этому учёные смогли разглядеть её структуру и выделить в ней несколько зон звездообразования.

В основном успех при наблюдении этого объекта достигнут благодаря высокой чувствительности инфракрасных датчиков космической обсерватории им. Джеймса Уэбба. Именно его датчики помогли составить образ далёкой и молодой галактики после неминуемых при гравитационном линзировании искажений.

Галактика Firefly Sparkle наблюдается через 600 млн лет после Большого взрыва. У неё определено 10 отчётливых зон активного звездообразования. Каждая из зон имеет массу от 10⁵ до 10⁶ солнечных масс. Эти наблюдения дают науке первое спектрофотометрическое представление о типичной галактике на ранних стадиях её развития во Вселенной. У галактики Искорка Светлячка даже есть две сопутствующие карликовые галактики, роль которых для Млечного Пути исполняют галактики Большое и Малое Магеллановы Облака.

Вселенная расширяется с ускорением и учёные не могут объяснить, что заставляет не связанные гравитацией звёзды и галактики нестись прочь друг от друга. Но что ещё хуже, величина ускорения отнюдь не постоянна: вскоре после Большого взрыва объекты разлетались с одним ускорением, а сейчас — с другим. Это намекает на то, что физика на разных отрезках развития Вселенной могла отличаться, что ещё сильнее запутывает ситуацию. «Джеймс Уэбб» мог бы помочь, но нет.

Галактика NGC 5468 на удалении 130 млн световых лет от Земли. Источник изображения: NASA

Учёные надеялись, что серия наблюдений за звёздами с помощью телескопа «Хаббл» содержит погрешности, которые могли бы устранить из уравнений оценки скорости расширения Вселенной так называемую напряжённость Хаббла. Эта напряжённость возникла из-за расхождения между измерениями скорости расширения на основе данных о реликтовом излучении и оценками расстояний до звёзд-маяков (цефеид, сверхновых, красных гигантов и других). Реликтовое излучение и основанная на его характеристиках модель LambdaCDM дают значение 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк, тогда как данные по звёздам — 73,24 ± 1,74 (км/с)/Мпк. Разница около 8 % заставляет предполагать, что мы чего-то не знаем о ранней Вселенной.

С появлением космической обсерватории им. Джеймса Уэбба появилась надежда, что этот инструмент либо опровергнет, либо докажет состоятельность напряжённости Хаббла. Собственно, пока он и опровергает и доказывает, что разница в скорости расширения Вселенной присутствует, что говорит о том, что теоретикам пока рано подключаться. Благодаря высокой чувствительности «Уэбба» учёные улучшают калибровку лестницы расстояний, начиная от цефеид и заканчивая сверхновыми. Новая работа направлена на уточнение погрешностей в оценках расстояний до звёзд, сделанных ранее «Хабблом».

В общей сложности учёные исследовали 1000 цефеид в пяти галактиках на расстоянии 130 млн световых лет с помощью «Уэбба». Похожие данные собирал «Хаббл». Наблюдения «Уэбба» оказались точнее, так как позволили устранить такие погрешности, как влияние межзвёздной пыли на яркость цефеид, а также исключить эффект смешения света звёзд, который затруднял определение их истинной светимости и, следовательно, расстояний до объектов.

С вероятностью 8 сигма было показано, что «неопознанная скученность фотометрии цефеид» не может служить объяснением напряжённости Хаббла. Иными словами, напряжённость Хаббла — это не ошибка и она остаётся необъяснимой. Данные наблюдений «Хаббла» и «Уэбба» продолжают подтверждать существенное отличие скорости расширения Вселенной на ранних этапах её существования и в период зрелости.

«Одним из возможных объяснений напряжённости Хаббла могло бы быть отсутствие чего-то в нашем понимании ранней Вселенной, например, нового компонента материи — ранней тёмной энергии, которая придала Вселенной неожиданный толчок после Большого взрыва, — сказал космолог из JHU Марк Камионковский (Marc Kamionkowski). — Также существуют другие идеи, такие как необычные свойства тёмной материи, экзотические частицы, изменение массы электрона или первичные магнитные поля, которые могли бы сыграть свою роль. У теоретиков есть возможность для творческого подхода».

Сделанные космической обсерваторией им. Джеймса Уэбба открытия в ранней Вселенной заставили учёных усомниться в основах современной космологии. В частности, «Уэбб» обнаружил в ранней Вселенной необъяснимо большие чёрные дыры, которые не должны были развиться в процессе эволюции звёзд. Объяснить наблюдаемое несоответствие можно в том случае, если чёрные дыры появились не после смерти первых звёзд, а раньше их — через доли секунды после Большого взрыва.

Художественное представление двух сближающихся чёрных дыр. Источник изображения: NASA

Идею рождения миниатюрных чёрных дыр или «семян» вскоре после Большого взрыва в своё время высказал физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking). Они и сегодня могут находиться во Вселенной, медленно испаряясь в процессе излучения Хокинга. Но, ни одну миниатюрную чёрную дыру учёные так и не смогли обнаружить, как, собственно, и гипотетическое излучении Хокинга. Тем не менее, если «Уэбб» обнаруживает через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва сверхмассивные чёрные дыры, то теория Хокинга лучше других аргументов объясняет, почему так может быть.

Часть затравок чёрных дыр могла попасть в подходящие условия, где концентрация вещества была достаточно большой, чтобы эти объекты быстро набирали массу параллельно с эволюционирующей Вселенной на самых ранних этапах её жизни, доказали учёные. Сверхмассивные чёрные дыры образовались не из звёзд (хотя некоторые — вполне), а эволюционировали параллельно первым звёздам. И как только Вселенная развеяла мрак в эпоху реионизации, она явила последующему взгляду не только первые звёзды и галактики, но также сформировавшиеся сверхмассивные чёрные дыры.

Представившая свои выводы группа астрономов считает, что сделанные ими выкладки должны побудить учёных изменить модели эволюции звёзд, галактик и, собственно, чёрных дыр, а затем проверить эти модели наблюдениями. Возможно, со временем так и произойдёт. Пока работа «Уэбба» — это пиршество для наблюдателей. Теоретики ждут наработки большего объёма материала и пока лишь скептически улыбаются.

Не секрет, что галактики могут сталкиваться, что ведёт к изменениям в ландшафте Вселенной и к эволюции самих галактик. Изучение последствий таких явлений позволит лучше понять основополагающие процессы мироздания и повысит точность прогнозирования. Интереснейшим объектом в этом плане остаётся самый опасный «перекрёсток» во Вселенной — так называемый Квинтет Стефана, где галактики сталкивались раньше и сталкиваются теперь.

Комбинированные данные. Источник изображения: William Herschel Telescope Enhanced Area Velocity Explorer

Интерес к Квинтету Стефана — группе из четырёх взаимодействующих галактик (пятая случайно оказалась в кадре) — подчёркивается тем, что «Джеймс Уэбб» запечатлел этот объект в своей самой первой сессии научных снимков, как только приступил к научной работе. Ранее Квинтет Стефана снимали другие оптические и радиотелескопы. Последние дают наиболее полное представление о распределении газа и пыли в области столкновения и поведении фронта ударной волны от столкнувшихся гало галактик.

В новой работе учёные объединили данные с радиотелескопов Low Frequency Array (LOFAR), Very Large Array и спектрометра William Herschel Telescope Enhanced Area Velocity Explorer (WEAVE) на телескопе им. Уильяма Гершеля в Ла-Пальме (Испания) с изображениями «Джеймса Уэбба». Общие данные помогли в деталях воспроизвести место «аварии», в ходе которой галактика NGC 7318b на скорости 3,2 млн км/ч врезалась в останки предыдущих столкновений. Скорость фронта ударной волны оказалась настолько большой, что смогла сорвать электроны с орбит атомов межзвёздного газа и пыли. Возникли области плазмы, которые хорошо видны в данных радиотелескопов и на спектрометре.

«С момента своего открытия в 1877 году Квинтет Стефана пленил астрономов, потому что он представляет собой галактический перекрёсток, где прошлые столкновения между галактиками оставили после себя сложное поле обломков, — заявила Марина Арнаудова, руководитель группы и исследователь из Университета Хартфордшира. — Динамическая активность в этой группе галактик теперь возобновилась из-за того, что галактика пронеслась сквозь неё с невероятной скоростью более 2 миллионов миль в час (3,2 миллиона км/ч), что привело к чрезвычайно мощному удару, очень похожему на звуковой удар реактивного истребителя». Только этот «истребитель» двигался в 800 раз быстрее обычного...

Квинтет Стефана на кадрах «Уэбба»

«Наряду с деталями удара и разворачивающегося столкновения, которые мы видим в Квинтете Стефана, эти наблюдения дают замечательный взгляд на то, что может происходить в формировании и эволюции едва различимых слабых галактик, которые мы видим на пределе наших текущих возможностей», — добавил другой автор работы.

Для роботизированного спектрометра WEAVE это было первое наблюдение. Прибор начал работать с 2022 года и с тех пор занимает 70 % времени наблюдений телескопа, на который установлен. С его помощью ожидается множество новых открытий.

В данных космической обсерватории им. Джеймса Уэбба учёные обнаружили трёх «Красных монстров» — три сверхмассивных для своего времени галактики, скорость формирования которых выходит за рамки современной космологии. Выборка небольшая, но она заставляет искать новые признаки нашего неточного понимания природы формирования звёзд и галактик на ранних этапах жизни Вселенной.

Источник изображения: University of Geneva

Международная группа учёных во главе с астрономами из Женевского университета (UNIGE) использовала собранные «Уэббом» данные по галактикам на красных смещениях от z=5 до z=9. Для этих значений возраст Вселенной составлял 1–1,5 млрд лет. По причине ускоренного разлёта звёзд и галактик во Вселенной длина волны фотонов становится длиннее и уходит во всё более красную область, что можно определить по спектральным измерениям. «Уэбб» как раз специализируется на таком. Тем самым он позволяет с приемлемой точностью определить расстояния до объектов и их массу.

Учёные отобрали для углублённого анализа 36 далёких массивных, пыльных, звездообразующих галактик. Из этого числа 33 галактики укладывались в рамки современных представлений о скорости их формирования, однако три вышли далеко за пределы моделей. За эту уникальность и сверхбольшую массу эти три объекта назвали «Красными монстрами». Расчёты показали, что для достижения наблюдаемых масс скорость рождения звёзд в них должна была быть на 50 % больше предсказываемой.

Нельзя исключать, что в данные наблюдений могли вкрасться ошибки. И всё же, учёные не исключают возможности, что в ранней Вселенной могли складываться условия для ускорения процессов рождения звёзд. Пока фактического материала недостаточно, чтобы потрясти основы современной космологии. Формируется лишь намёк на неполноту знаний о процессах и явлениях в ранней Вселенной. «Уэбб» вряд ли станет тем инструментом, который не оставит камня на камне на предыдущих воззрениях, но сомнения он заронил, а в науке нет ничего ценнее критики и здорового скептицизма.

Предсказанное 110 лет назад Эйнштейном гравитационное линзирование было подтверждено наблюдением через четыре года после публикации его работы. Это было сделано благодаря наблюдению искривления света звёзд гравитацией Солнца во время затмения. Десятилетия спустя, с появлением более совершенных телескопов, гравитационное линзирование стало популярным инструментом для изучения Вселенной. Но до недавнего времени никто не видел такого феномена, как «зигзаг Эйнштейна».

Источник изображений: Frédéric Dux

Началось всё с того, что астрономов заинтересовал далёкий квазар J1721+8842. Его первые наблюдения были проведены в 2017 году с помощью панорамного обзорного телескопа и системы быстрого реагирования (Pan-STARRS), расположенной в обсерватории Халеакала на Гавайях. Объект демонстрировал явление гравитационного линзирования, представ на снимках в четырёх экземплярах.

Как объяснил ещё в 1915 году Эйнштейн, материя тесно связана с пространством-временем. Массивные объекты искажают пространство-время, заставляя свет следовать этим изгибам. Изгибы, как линзы, фокусируют и направляют свет, отчего на снимках телескопов один и тот же объект будет двоиться, троиться и быть видимым одновременно в разных точках пространства. Чаще всего наблюдаются одиночные гравитационные линзы. Может быть, потому что их проще обнаружить? Но иногда возникают причудливые явления, такие как крест или кольцо Эйнштейна, когда фокусирующая свет далёкого объекта масса (галактика или скопление галактик вместе с собранной вокруг них тёмной материей) располагаются точно выверенным образом по отношению к объекту.

Квазар J1721+8842 оказался одним из таких уникальных объектов. А подключение к его наблюдению телескопа «Уэбб» сделало открытие поистине редким и первым в истории. Чувствительность «Уэбба» позволила выявить ещё две копии далёкого квазара — всего шесть. Оказалось, что свет от квазара, расположенного на удалении 11 миллиардов световых лет от нас, преломляется двумя массами — он дважды гравитационно линзируется. Сначала его свет преломляется далёкой галактикой на удалении 10 миллиардов световых лет, а затем более близкой к нам галактикой на расстоянии 2,3 миллиарда световых лет от Земли. Все три объекта выровнены таким образом, что свет от квазара как бы совершает зигзаг в пространстве-времени, отклоняясь сначала одной галактикой, а затем другой. Такого эффекта ещё никто не наблюдал.

Копии квазара обозначены буквами, дуги — это копии далёкой галактики (она тоже «размножилась»), в центре — ближняя галактика

Более того, уникальное расположение линзирующих масс и источника света (квазара) позволяет одновременно провести два измерения — установить ограничения на определение постоянной Хаббла и ввести ограничения в уравнения для оценки тёмной энергии. Обычно можно либо одно, либо другое. Одновременная оценка обеих спорных величин даст науке больше, чем другие измерения.

Что касается постоянной Хаббла, то есть намёки на то, что её величина отличается в местной Вселенной и в ранней. Относительно тёмной энергии вообще мало что понятно. Она «расталкивает» объекты во Вселенной и чем они дальше друг от друга, тем быстрее разлетаются в стороны. Две точки преломления света от J1721+8842 на разных концах Вселенной — это удобная возможность поискать отличия. Впрочем, учёные предупреждают, что выводы делать рано. Сначала необходима углублённая работа теоретиков с учётом полученных данных, а на это могут уйти годы.

Примерно 60 лет назад начала оформляться теория тёмной материи как нерегистрируемого вещества, играющего главную роль в зарождении объектов во Вселенной. Согласно принятой в космологии модели лямбда-CDM, звёзды и галактики на заре времён образовались благодаря «кучкованию» тёмной материи и концентрации вещества вокруг её сгустков. Альтернативной теорией стала модель MOND с переменной гравитацией. «Уэбб», говорят сторонники MOND, играет на их стороне.

Источник изображения: NASA

Инфракрасная обсерватория им. Джеймса Уэбба далеко заглянула в раннюю Вселенную. Согласно модели Лямбда-CDM, первые галактики начали оформляться через 300–400 млн лет после Большого взрыва. В их формировании (и в зарождении звёзд) ключевую роль сыграла тёмная материя, благодаря которой обычное вещество собралось вместе и под действием гравитации сначала породило звёзды, а потом галактики, скопления галактик и сверхскопления галактик.

Если бы эта теория была верна, говорят сторонники модели MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), то «Уэбб» увидел бы в ранней Вселенной слабые и тусклые галактики, которые превратились бы в яркие объекты намного позже — через миллиард и более лет после Большого взрыва. Вместо этого «Уэбб» раз за разом находит на рубеже 500–900 млн лет после Большого взрыва большие, яркие и развитые галактики, похожие, например, на Млечный Путь. Такое может объяснить только модель MOND, в которой не предусмотрен «костыль» в виде тёмной материи.

Чтобы подтвердить это, один из давних сторонников MOND — американский учёный Стейси Макго (Stacy McGaugh), провёл моделирование с учётом собранных «Уэббом» данных. Модель просчитала процесс роста множества галактик с учетом лямбда-CDM и MOND. Расчёт показал, что модель лямбда-CDM не смогла предсказать рост галактик до наблюдаемых «Уэббом», а MOND справилась с этой задачей ощутимо лучше. По мнению учёного, это доказывает, что поиски тёмной материи — пустое дело. Необходимо искать признаки MOND — изменений гравитации в зависимости от скоростей объектов.

В последние годы в ранней Вселенной открыто много сверхмассивных чёрных дыр (СЧД), которые не должны были успеть стать настолько большими ко времени наблюдения. Для них существует чисто физический предел по скорости поглощения массы, который они обычно не могут превзойти. Тем удивительнее было найти чёрную дыру, которая по скорости поглощения вещества превысила теоретический предел в 40 раз.

Художественное представление неумеренно питающейся чёрной дыры. Источник изображения: NSF NOIRLab

Открытие сделала группа астрономов из США (из обсерваторий Gemini и NSF NOIRLab). Используя для своих целей космическую обсерваторию им. Джеймса Уэбба они наблюдали некоторое количество галактик в ранней Вселенной по следам наблюдений рентгеновской обсерватории «Чандра». Эти галактики были тусклыми в оптике, но яркими в рентгене, что свидетельствует об активности чёрных дыр в их центрах.

Внимание учёных привлекла галактика LID-568. Точное расположение этого объекта помог установить спектрометр «Уэбба». Галактика LID-568 оказалась на расстоянии 1,5 млрд лет после Большого взрыва. Проведенные оценки показали, что в центре галактики находится активная сверхмассивная чёрная дыра массой 7,2 млн солнечных масс. Это сравнительно небольшая масса для СЧД. Удивило другое. Так называемый предел Эддингтона для этой чёрной дыры был превышен в 40 раз!

Когда на СЧД падает вещество, оно закручивается вокруг неё по спирали. Все чёрные дыры во Вселенной вращаются, поскольку возникли из вращающихся объектов. Чёрная дыра создаёт при этом вокруг себя вращение пространства-времени, заставляя всё падающее на неё также вращаться по сжимающейся спирали (сила гравитации действует в этой области также вбок, а не только в сторону центра).

Сила гравитации и трение, наиболее сильные ближе к чёрной дыре, разогревают вещество в диске аккреции до свечения во всех диапазонах электромагнитного излучения. Это излучение создаёт изнутри давление на падающее на СЧД вещество и не даёт ему падать на чёрную дыру сверх определённой скорости. Этот порог и есть предел Эддингтона (в общем случае он введён для звёзд, удерживающих свои внешние оболочки от падения на ядро), хотя этот порог на относительно короткое время может превышаться и тогда проявляется сверхэддингтоновский эффект, когда темп аккреции значительно превышает эддингтоновский предел.

Похоже, учёные наткнулись на СЧД LID-568 в тот редкий момент, когда она потребляла вещество в режиме сверхэддингтоновского предела. Поэтому дальнейшие наблюдения за этим объектом могут принести массу открытий в эволюции чёрных дыр. Для учёных стало загадкой, как СЧД в ранней Вселенной смогли отъесться до настолько больших регистрируемых масс. К такому могла привести ситуация, когда первые чёрные дыры возникали непосредственно из коллапса облаков материи либо из невероятно огромных первых звёзд (ни одно, ни другое не наблюдалось).

Превышение эддингтоновского предела также может дать ответ на невероятную скорость откорма СЧД. Открытие галактики LID-568 в этом плане стало настоящей находкой.

Коричневые карлики или несостоявшиеся звёзды, как их прозвали за неспособность запустить термоядерное горение, во многом остаются малоизученными объектами. Появление в космосе инфракрасного телескопа «Джеймс Уэбб» стало введением в строй наиболее подходящего инструмента для изучения этих относительно холодных и поэтому невидимых в оптическом диапазоне недозвёзд. «Уэбб» готов раскрывать их секреты, включая возможность появления у них планет и жизни.

Источник изображения: NASA/ESA/CSA

Ещё в первые годы наблюдений телескопом «Хаббл» в одной из близких к Земле зон звездообразования в туманности Ориона были обнаружены объекты, напоминающие протопланетные диски (проплиды). Однако только с появлением «Уэбба» в центре проплидов были выявлены объекты, которые могут считаться коричневыми карликами. Инфракрасная спектроскопия, проведённая с помощью приборов «Уэбба», позволила измерить их температуру и оценить массу, что стало подсказкой к вопросу, могут ли коричневые карлики иметь собственные планетные системы. Скорее всего, могут.

В наблюдаемой области туманности Ориона, удалённой от Земли на 1500 световых лет, «Уэбб» обнаружил более двух десятков кандидатов в коричневые карлики. Набор статистики по этим объектам многое откроет для науки. Пока считается, что масса коричневых (иначе — бурых) карликов лежит в диапазоне 0,015–0,075 солнечных масс. «Уэбб» способен засекать такие объекты и, что немаловажно, позволяет оценить их температуру, по которой можно отличить коричневого карлика от звезды.

Например, один из обнаруженных «Уэббом» кандидатов имеет массу 0,05 солнечных масс — это примерно как пять Юпитеров. И таких примеров достаточно, чтобы учёные смогли лучше понять природу коричневых карликов и, в частности, их способность к формированию собственных планетных систем.

«Новые наблюдения JWST лишь коснулись вопроса коричневых карликов в Орионе, — говорят учёные. — Туманность содержит несколько сотен слабых объектов, которые могут быть коричневыми карликами, готовыми для спектроскопии с помощью JWST. Будущие наблюдения Ориона с помощью JWST потенциально могут обнаружить гораздо больше примеров проплидов вокруг коричневых карликов и определить наименьшую массу, при которой существуют коричневые карлики. Эта информация поможет нам заполнить пробелы в наших знаниях о том, как формируются коричневые карлики и их связь со звёздами и планетами».

NASA опубликовало полученный космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST) снимок галактики, известной под номерами M74 и NGC 628, а также под неофициальным названием «Фантом». Впервые аппарат запечатлел её в 2022 году.

Галактика NGC 628 — снимок на MIRI и NIRCam. Источник изображений: esawebb.org

Старое изображение было получено при помощи прибора MIRI (Mid-InfraRed Instrument) среднего инфракрасного диапазона на телескопе «Джеймс Уэбб»; в новом данные MIRI были объединены с данными прибора Near-InfraRed Camera (NIRCam), работающего в ближнем инфракрасном диапазоне. Это помогло учёным проекта Feedback in Emerging extrAgalactic Star clusTers (FEAST) изучить расположенные в этой области звёздные ясли.

Галактика NGC 628 — снимок на NIRCam

Звёздные ясли — области в космосе, заполненные газами и молекулярными облаками. Здесь рождаются звёзды и планеты, поэтому чаще их называют областями звездообразования. Основная задача проекта FEAST — изучать образование и взаимодействие звёзд за пределами нашей галактики. Подсчитывая объёмы энергии, которую звезды выбрасывают в окружающую среду, учёные могут лучше понять механизмы их появления.

Объединив данные MIRI и NIRCam, учёные получили основания сделать вывод, что спиральные рукава галактики M74 — наиболее активные области звездообразования в ней. Снимок NIRCam помог увидеть линии излучения водорода, которые не так сильно подвержены влиянию пыли, и которые показывают, где формируются новые массивные звёзды.

Квазары — это активные ядра галактик, представляющие собой сверхмассивные чёрные дыры, которые непрерывно поглощают падающее на них вещество. Как же удивились учёные, когда в ранней Вселенной космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил квазары без регистрируемого окружения из вещества. Такое просто невозможно, чтобы сияние квазаров через миллиарды лет наблюдалось и возникло в полной пустоте.

Художественное представление квазара. Источник изображения: NASA/JPL–Caltech

«Вопреки предыдущему мнению, мы обнаруживаем, что в среднем эти квазары не обязательно находятся в областях ранней Вселенной с наибольшей плотностью. Некоторые из них, кажется, находятся неизвестно где, — поделилась в заявлении доцент физики Массачусетского технологического института Анна-Кристина Эйлерс (Anna-Christina Eilers). — Трудно объяснить, как эти квазары могли вырасти такими большими, если кажется, что им нечем питаться».

Современная космология предполагает, что космическая паутина из нитей тёмной материи и её сгустков в узлах способствовала концентрации обычного вещества и его превращению в звёзды, галактики и всё остальное. Сделанные с помощью обсерватории им. Джеймса Уэбба открытия вносят неопределённость в эти гипотезы и теории. «Уэбб» смог заглянуть на глубину до 13 и более миллиардов лет назад, когда материя во Вселенной образовала первые галактики, а эти галактики, а также сверхмассивные чёрные дыры в их центрах, оказались неожиданно большими. Согласно стандартной модели, они просто не успели бы эволюционировать до регистрируемых размеров.

Мало было этих проблем, как вскрылись новые. Учёные изучили пять самых ранних из открытых квазаров на этапе 600–700 млн лет после Большого взрыва. Исследователей волновал вопрос — чем они питаются, если стали такими большими уже на ранних этапах своей эволюции? Оказалось, что некоторые квазары вообще не имеют регистрируемого вещества в пределах своего «ареала обитания». Их яркость и аккрецию вещества вообще ничем нельзя объяснить. На целом ряде длин волн учёные не обнаружили признаков материи.

Логично было бы ожидать, что квазары в ранней Вселенной обнаруживаются в областях узлов тёмной материи, где много, например, видимых галактик. Но рядом с некоторыми из наблюдаемых квазаров было всего 2 галактики, а рядом с другими — 50 и более. Это говорит о том, что супермассивные чёрные дыры (квазары) выросли на неизвестном науке механизме эволюции, который ещё предстоит открыть. Не исключено, что новые наблюдения помогут зарегистрировать рядом с квазарами холодные скопления газа и пыли, но это всё равно плохо укладывается в современные космологические представления.

Расположенный всего в 100 световых годах от Земли мир GJ 9827 d удивил учёных. Его атмосфера более чем на 30 % состоит из водяного пара. Учёным ещё не попадались подобные экзопланеты, атмосфера которых была бы насыщена «тяжёлыми» молекулами. Что огорчает, известная нам по Земле биологическая жизнь не сможет выжить в таких условиях — для этого там слишком горячо.

Источник изображения: Robert Lea / Canva / space.com

Экзопланета GJ 9827 d была обнаружена в 2017 году космическим телескопом «Кеплер». Она размещается всего в 8,4 млн км от своей звезды — это 6 % расстояния от Земли до Солнца. Экзопланета в два раза больше Земли и в три раза массивнее её. Такие экзопланеты называют субнептунами. В данном случае — это тёплый субнептун. Год на GJ 9827 d длится чуть больше шести земных суток. В системе обнаружены ещё две экзопланеты, но эта оказалась самой перспективной для пристального внимания учёных.

Последующие наблюдения за GJ 9827 d в 2023 году с помощью телескопа «Хаббл» выявили первые намёки на присутствие в атмосфере водяного пара, что сразу повысило интерес к объекту. Использование спектральных приборов «Джеймса Уэбба» позволило более детально изучить состав окружающей её газовой оболочки. Это стало возможным в процессе прохождения экзопланеты по лику родной звезды, когда свет последней на определённых длинах волн поглощался в атмосфере GJ 9827 d. Открытием стало обнаружение не просто молекул воды в атмосфере экзопланеты — она буквально тонула в водяном паре, процентное содержимое которого учёные оценили более чем 31 %.

«Мы впервые видим нечто подобное, — сказал один из авторов работы, Эшан Рауль (Eshan Raul ). — Планета [её атмосфера], по-видимому, состоит в основном из горячего водяного пара, что делает её тем, что мы называем "паровым миром". Для ясности, эта планета не гостеприимна, по крайней мере, для тех видов жизни, с которыми мы знакомы на Земле».

Команда считает, что предстоит открыть ещё много миров, подобных GJ 9827 d, предполагая, что паровые планеты и водные миры могут оказаться очень распространёнными.

Благодаря телескопу «Джеймс Уэбб» учёные впервые достоверно смогли определить ряд химических веществ на поверхности спутника Плутона Хароне. Миллиарды лет назад Харон мог отделиться от Плутона после удара астероида, как это произошло при отделении Луны от Земли. Также Харон может оказаться самостоятельным объектом, прилетевшим из пространства и застрявшим у Плутона. Изучение химического состава поверхности спутника могут помочь с этой загадкой.

Харон вблизи. Источник изображений: NASA

Вблизи Харон (и Плутон) наблюдались лишь однажды и недолго, когда рядом с ними пронеслась автоматическая станция NASA «Новые горизонты» (New Horizons). Эти данные использовались в новой работе, как и моделирование на базе изучения ледяных спутников Юпитера, а также лабораторные исследования по бомбардировке фотонами и заряжёнными частицами водяного льда и других веществ (учёных интересовали процессы фотолиза и радиолиза, которые инициируют химические реакции на окраинах Солнечной системы).

Харон и Плутон (на переднем плане)

Харон и Плутон имеют необычную орбиту. Она обусловлена тем, что Харон всего лишь вполовину меньше Плутона (1200 км против 2400), а его масса составляет примерно 1/8 массы Плутона. Оба они вращаются вокруг общего центра масс. Земля и Луна тоже вращаются вокруг общего центра масс, но он находится внутри Земли и Луна как бы всё равно обращается вокруг Земли. В случае Плутона и Харона общий центр масс далеко выступает за поверхность Плутона и, в частности, это стало одним из поводов, почему Плутон потерял статус планеты Солнечной системы.

Плутон и Харон на спектральных датчиках «Уэбба». Источник изображения: NIRSpec Silvia Protopapa et al. / Nature Communications, 2024

Наблюдение учёных Северо-Западного университета (США) за Хароном с помощью спектральных инфракрасных приборов «Уэбба» впервые позволило достоверно определить на его поверхности наличие углекислотного льда и перекиси водорода в смеси с водяным льдом (средняя температура на спутнике составляет -232 °C). Это достаточно важный шаг к пониманию, как образовалась эта по сути двойная система небесных тел. Также работа даёт понимание химических реакций на транснептуновых объектах, куда добираются лишь крохи энергии Солнца. В частности, фотоны и заряжённые частицы бомбардируют водяной лёд (и водяной лёд с добавками углекислотного льда), превращая часть его в перекись водорода.

Также исследования показали, что Харон содержит меньше аммиака и метана, чем Плутон и другие объекты за орбитой Нептуна. Это как минимум заставляет распознать в Хароне пришельца из другого уголка системы. Но это не точка в исследовании Харона, а лишь новый эпизод, за которым последует продолжение.

Удивительно обнаружить атмосферу у планеты за сотни световых лет от нас, но ещё удивительнее засечь разницу между характеристиками атмосферы её полушарий: западного и восточного. Благодаря космической обсерватории им. Джеймса Уэбба это стало возможным.

Экзопланета с асимметричной атмосферой в представлении художника. Источник изображения: University of Arizona

Открытие выглядит ещё более интересным, если учесть относительно низкую температуру экзопланеты WASP-107b. Она холоднее обычно более горячих сородичей класса «горячие юпитеры», но намного горячее планет-гигантов Солнечной системы. Средняя температура поверхности экзопланеты WASP-107b едва достигает 480 °C. Для наблюдений с помощью инфракрасных приборов «Уэбба» это означает, что температура планеты недостаточна для спектрального анализа её атмосферы через излучение самой экзопланеты. «Уэбб» может изучить атмосферу планеты только во время прохождения планеты по диску своей звезды, когда она подсвечена её излучением.

В целом экзопланета WASP-107b странная донельзя. Она была открыта в 2017 году на удалении 200 световых лет от Земли в созвездии Девы. Размеры WASP-107b примерно соответствуют размерам Юпитера, но её масса составляет всего 12 % от массы этого газового гиганта или даже меньше. Это делает экзопланету такой же «пухлой», как хлопок. Среди более чем 5000 открытых учёными экзопланет подобных «пухлых» планет меньше десятка. Планета вращается очень близко к своей звезде (в разы ближе, чем Меркурий по отношению к Солнцу) и находится в её приливном захвате — всегда обращена одной стороной к звезде. При этом мощности излучения звезды не хватает, чтобы разогреть планету до состояния потери атмосферы.

Одной из особенностей таких планет является очень сильно раздутая атмосфера. В новом исследовании под руководством учёного из Университета Аризоны впервые было обнаружено, что экзопланета WASP-107b обладает асимметричной атмосферой, разделённой по полушариям на восток и запад, что предопределяет её климат и климатическое поведение. Это открытие позволяет уточнить модели строения и поведения подобных прохладных планет и даёт данные, которые ранее никогда не были получены учёными.

«Мы не можем наблюдать прямо почти за всеми экзопланетами, не говоря уже о том, чтобы знать, что происходит на одной её стороне по сравнению с другой, — говорят авторы работы. — Впервые мы можем получить гораздо более определённое представление о том, что происходит в атмосфере экзопланеты».