Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» помогла сделать новое и совершенно неожиданное открытие — она зафиксировала свет от галактики в ранней Вселенной, который, согласно всем известным нам законам, не должен был попасть на её датчики. Это открытие позволяет по-новому взглянуть на ранние этапы эволюции звёзд и галактик во Вселенной, что должно оказать критическое влияние на научное понимание этих процессов.

Источник изображений: NASA

Опубликованная в журнале Nature работа посвящена анализу галактики JADES-GS-z13-1. Этот объект был обнаружен «Уэббом» через 330 млн лет после Большого взрыва. Это было время, когда видимый свет (от первых звёзд и галактик) ещё с трудом распространялся по Вселенной. До появления прозрачной Вселенной с чрезвычайно разреженным молекулярным водородом оставалось ещё около 700 млн лет. Зафиксированный «Уэббом» сигнал от галактики JADES-GS-z13-1 был бы характерен для более позднего периода эволюции Вселенной, и его появление, а также сам факт обнаружения на столь раннем этапе мироздания поставили учёных в тупик.

Речь идёт о фиксации линии Лайман-альфа у галактики JADES-GS-z13-1 — это спектральная линия ультрафиолетового излучения водорода с длиной волны 121,6 нанометра. Она возникает, когда электрон в атоме водорода переходит с первого возбуждённого уровня на основной, испуская фотон. В ранней Вселенной ультрафиолетовые фотоны этой линии поглощались нейтральным водородом, что создавало характерные следы в спектре излучения далёких объектов. Учёные не ожидали увидеть эту линию у галактики, существовавшей через 330 млн лет после Большого взрыва. Она могла быть обнаружена лишь в пузыре прозрачности диаметром 650 тыс. световых лет. Однако «Уэбб» зафиксировал всплеск этого света спустя 13,4 млрд лет! Это стало загадкой для исследователей, у которых пока нет однозначного ответа на этот феномен.

Существует два возможных объяснения наблюдаемого явления. Во-первых, оно может быть следствием чрезвычайной активности чёрной дыры в галактике. Во-вторых, в далёкой галактике может находиться аномально большое количество сверхмассивных звёзд, каждая из которых в 100–300 раз превышает массу Солнца. Однако обе гипотезы пока не имеют достаточных подтверждений, чтобы одна из них могла считаться окончательной. Учёные продолжат наблюдение за этой далёкой галактикой и надеются открыть другие подобные объекты. Это станет неоценимым вкладом в понимание процессов, происходивших в ранней Вселенной, откуда внятные сигналы доходят до нас с большим трудом.

Инфракрасная космическая обсерватория имени Джеймса Уэбба проявила себя как незаменимый инструмент для наблюдений за объектами нашей Солнечной системы. С её помощью впервые были получены снимки неуловимых полярных сияний на далёкой восьмой планете — Нептуне. Газовая атмосфера Нептуна предполагает возможность таких явлений, однако ранее они наблюдались лишь однажды — во время пролёта зонда «Вояджер-2».

Источник изображения: NASA

Особенность Нептуна в том, что его магнитное поле наклонено по отношению к оси вращения. Поэтому, если на большинстве планет полярные сияния возникают над географическими полюсами, на Нептуне они смещены и появляются в средних широтах. На снимках «Уэбба» это хорошо заметно: ионосфера планеты окрашена, но не над полюсами.

Получить снимок полярного сияния на Нептуне удалось благодаря спектрографу ближнего инфракрасного диапазона. Строго говоря, изображение является синтетическим — в обычном видимом спектре оно недоступно человеческому глазу, по крайней мере, с расстояния от Земли до Нептуна. Датчики «Уэбба» анализировали спектры и энергию заряженных частиц в ионосфере планеты, на основании которых была воссоздана картина полярного сияния в верхних слоях её атмосферы. Эта работа также стала важным напоминанием о необходимости инфракрасных датчиков для оснащения будущих миссий к далёким планетам нашей системы.

Дополнительно оценка температуры ионосферы показала, что со времён пролёта «Вояджера» — с 1986 года — она стала вдвое холоднее. Это одна из причин, по которой полярные сияния на Нептуне практически неразличимы. Понижение температуры снижает энергию частиц, замедляет их движение и, следовательно, уменьшает интенсивность свечения при столкновении частиц атмосферного газа с частицами солнечного ветра.

Наблюдение полярного сияния на Нептуне стало заключительным этапом в изучении этого явления на всех планетах Солнечной системы, обладающих атмосферой. Фактически «Уэбб» поставил точку в этой работе, предоставив окончательные доказательства существования полярных сияний на Нептуне.

Год назад космический телескоп «Джеймс Уэбб» открыл в ранней Вселенной новые объекты, которые назвали «маленькие красные точки» (Little Red Dots, LRD). На датчиках обсерватории они буквально выглядели как точки с предельно большим красным смещением. С тех пор учёные выдвинули ряд гипотез о природе этих объектов, что позволяет находить объяснение их происхождению. Новая работа проливает больше света на эту загадку ранней Вселенной.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Первым и во многом верным предположением стало то, что «маленькие красные точки» — это активные ядра галактик (квазары). Особенность LRD заключалась в том, что, в отличие от квазаров, они очень слабо излучали в радиодиапазоне и рентгеновском спектре. Сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся внутри далёких галактик, так себя не ведут — они буквально пылают в рентгеновском диапазоне.

Одна из вещей, которую учёные быстро выяснили об этих объектах, — их спектры сильно расширены из-за эффекта Доплера. Это указывает на то, что газ, излучающий свет, вращается вокруг центральной области с огромной скоростью — более 1000 километров в секунду.

Для углублённого изучения «маленьких красных точек» учёные воспользовались приборами «Уэбба» и собрали спектры высокого разрешения для 12 таких объектов. Затем полученные данные сравнили с моделями сверхмассивных чёрных дыр. Анализ показал, что всё может происходить внутри молодого галактического облака. Внутри галактики с очень большой скоростью должен вращаться диск аккреции, окружающий чёрную дыру. При этом галактическое облако должно быть сильно ионизированным. В таком случае окружающее галактику плотное облако свободных электронов действительно поглощало бы большую часть рентгеновского и радиоизлучения.

С другой стороны, чтобы LRD достигли наблюдаемой светимости в инфракрасном диапазоне, мощность излучения чёрной дыры должна быть на максимальном уровне. Наблюдения показывают, что эта мощность близка к пределу Эддингтона, после которого чёрная дыра своим «светом» просто разогнала бы вещество вокруг себя и галактики, включая ионизированный газ, маскирующий рентгеновское и радиоизлучение.

Некоторые из открытых галактик «маленьких красных точек». Источник изображения: NASA

Всё это говорит о том, что «маленькие красные точки» — это очень молодые сверхмассивные чёрные дыры, которые быстро растут и достигают зрелости. Это подтверждается оценками их массы, согласно которым она составляет от 10 000 до 1 000 000 солнечных масс, что намного меньше, чем у типичных сверхмассивных чёрных дыр. Эта модель также помогает объяснить, почему мы не видим более близких LRD с меньшим красным смещением. В процессе своей бурной эволюции, работая на пределе мощности, они быстро рассеивают окружающее их ионизированное облако и превращаются в типичные квазары, которых во Вселенной предостаточно и к которым учёные давно привыкли.

Космическая обсерватория им. Джеймса Уэбба вновь продемонстрировала свои выдающиеся возможности передового инструмента. С её помощью получен самый детализированный снимок новой области звёздообразования, наполненный динамикой движения облаков пыли и газа под воздействием излучения новорождённых светил. Совершенно случайно в кадр попала древняя галактика, создав эффект «глаза торнадо» и символически объединив прошлое и будущее — старые звёзды с молодыми.

Источник изображения: NASA

Телескоп «Уэбб» запечатлел область Herbig-Haro 49/50 в нашей галактике. В нижнем левом углу изображения находится новорождённая звезда Cederblad 110 IRS4 (CED 110 IRS4). Ранее эту область снимал телескоп NASA «Спитцер», однако его изображение содержало мало деталей, а также демонстрировало «размытый объект» на кончике «торнадо». Снимок «Уэбба» в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне позволил рассмотреть множество важных деталей в структуре облаков пыли и газа. При этом «размытый объект» оказался спиральной галактикой, удачно попавшей в кадр в необычной перспективе.

Слева изображение «Спитцера», справа — «Уэбба»

«”Уэбб” запечатлел эти два не связанных между собой объекта в удачный момент, — пояснила команда телескопа. — На протяжении тысяч лет край HH 49/50 будет расширяться и в конечном итоге закроет собой далёкую галактику».

На полученном снимке оранжевым цветом обозначен молекулярный водород, а красным — монооксид углерода. Эти газы нагреваются под воздействием энергии струй соседней новорождённой звезды, приводя облака в движение. Кажущийся хаос подчиняется электромагнитному полю звезды и её излучению — всё это позволяет учёным наблюдать процесс, который во многом напоминает рождение нашей Солнечной системы.

Наблюдения последних лет часто ставят астрономов в тупик, доказывая ошибочность понимания эволюции ранней Вселенной. Звёзды и галактики в первый миллиард лет после Большого взрыва развивались неожиданно быстро, что невозможно объяснить принятыми в космологии моделями. В этот ряд попало и новое открытие — неожиданно большая концентрация кислорода в самой древней из найденных во Вселенной галактик.

Художественное представление галактики JADES-GS-z14-0. Источник изображения: ESO

Галактика JADES-GS-z14-0 была открыта космической инфракрасной обсерваторией «Джеймс Уэбб». К лету 2024 года открытие было подтверждено по спектральным данным. Оказалось, что этот неожиданно крупный и яркий объект обнаружен всего через 290 млн лет после Большого взрыва. Это само по себе вызвало недоумение, поскольку современные модели не предполагают такого быстрого развития звёзд и галактик. Очевидно, что земная наука что-то упускает в оценке эволюции Вселенной.

Галактика JADES-GS-z14-0 не могла не вызвать растущего интереса учёных — это как обнаружить подростка в ясельной группе, поясняют исследователи. Поэтому для углублённого анализа химического состава этой «галактики-переростка» был использован радиотелескоп Atacama Large Millimeter/submillimeter Array в Чили. Наблюдения в радиоволновом диапазоне позволяют уловить спектры излучения холодных атомов, в отличие от инфракрасного и видимого излучения, которые фиксируют значительно более высокие уровни энергии.

Сигналы, полученные от галактики JADES-GS-z14-0, ошеломили исследователей. Уровень молекулярного кислорода в ней в десять раз превысил допустимый в моделях эволюции звёзд. Кислород и другие элементы, тяжелее водорода и гелия, образуются в недрах звёзд в результате ядерного синтеза. В межзвёздное пространство они попадают после смерти таких звёзд во время взрывов сверхновых. Иными словами, это крайне медленный процесс. Поэтому запредельный уровень кислорода в JADES-GS-z14-0 всего через 290 млн лет после Большого взрыва остаётся загадкой, на которую у учёных пока нет ответа. Для его поиска потребуются новые масштабные наблюдения.

Изучение далёких звёздных систем позволяет понять, насколько уникальна или, напротив, обыденна наша Солнечная система. Кроме того, оно приближает нас к разгадке тайн возникновения жизни во Вселенной — по крайней мере, той биологической формы, которую мы знаем по земным организмам. Горизонты этого познания значительно расширились с появлением обсерватории им. Джеймса Уэбба. Очередное открытие вновь подтвердило её значимость — впервые удалось напрямую зарегистрировать углекислый газ на далёкой экзопланете.

Источник изображения: NASA

С помощью инфракрасных датчиков «Уэбба» учёные провели наблюдение за звёздной системой HR 8799, расположенной на расстоянии 130 световых лет от Земли. Это довольно молодая система — её возраст составляет всего 30 млн лет. В то время на Земле уже вымерли динозавры. Подобные молодые системы сравнительно недавно завершили процесс формирования планет, а их звёзды остаются горячими и яркими, что делает их удобными объектами для наблюдений в инфракрасном диапазоне. В этом спектре отчётливо видны как линии излучения, так и поглощения, что позволяет с высокой точностью определять состав веществ и молекул даже на значительных расстояниях.

Коронограф обсерватории «Уэбба» помог заблокировать свет центральной звезды HR 8799, что позволило напрямую наблюдать четыре экзопланеты в этой системе. Высококонтрастное наблюдение выявило среди прочих соединений углерода наличие углекислого газа в их атмосферах. Эти планеты являются газовыми гигантами, подобными Юпитеру и Сатурну. Собранные данные позволяют предположить, что экзопланеты сформировались в результате аккреции — процесса падения вещества на планетные ядра. Аналогичный механизм формирования считается вероятным и для газовых гигантов Солнечной системы.

Ранее учёным удавалось получить лишь косвенные доказательства присутствия углекислого газа на экзопланете WASP-39b. Однако наблюдения за HR 8799 стали первым случаем, когда этот ключевой для развития биологической жизни компонент был обнаружен непосредственно. Более того, разработанная астрономами методика выявления соединений углерода на больших расстояниях обещает новые открытия, которые могут оказаться жизненно важными для понимания нашего места во Вселенной и распространённости жизни в ней.

Было время, когда ещё не было звёзд. Вскоре после Большого взрыва в бесконечном море водорода и гелия, из-за чудовищной плотности газа, стали появляться первые светила. Эти звёзды назвали населением III (Population III). Их ещё никто не видел, но новые инструменты, в частности «Джеймс Уэбб», дают надежду обнаружить такие объекты на заре Вселенной. Недавно астрономы приблизились к этому, открыв лучшего на сегодняшний день кандидата среди звёзд населения III.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Считается, что первые звёзды во Вселенной, или звёзды населения III, были очень массивными — намного больше современных звёзд-гигантов. А чем больше звезда, тем быстрее она сгорает и разбрасывает останки по пространству, успевая синтезировать в недрах более тяжёлые элементы, чем первоначальные водород и гелий. Именно поэтому мы не видим первых звёзд — их век был мимолётным, но они оставили следы своего пребывания в виде определённых химических элементов.

Большая международная группа учёных под руководством Сейджи Фудзимото (Seiji Fujimoto) из Техасского университета в Остине (University of Texas at Austin) направила в The Astrophysical Journal статью, которую также выложила в свободный доступ на сайт препринтов arXiv. В работе исследователи рассказали о перспективном методе поиска первых звёзд и об обнаружении лучшей на сегодняшний день галактики-кандидата, вероятно содержащей звёзды населения III.

Эта галактика, получившая название GLIMPSE-16403, пока не является доказанным носителем звёзд населения III. Однако само появление такого кандидата говорит о том, что обнаружение первых звёзд во Вселенной — лишь вопрос времени.

«Эта работа прокладывает чёткий путь к открытию первых галактик населения III, — пишут исследователи. — Какова бы ни была судьба нынешних кандидатов, методы, разработанные в этом исследовании, позволят искать галактики населения III в эпоху JWST [обсерватории "Джеймс Уэбб"]».

Фудзимото и его коллеги решили ускорить поиск, сосредоточив внимание на небольших участках неба в поисках химических «отпечатков» первых звёзд. Учёные сосредоточились на галактиках с мощными спектрами излучения водорода и гелия при минимальном содержании других элементов. В результате они нашли двух кандидатов. Один оказался ненадёжным, но другой, GLIMPSE-16403, появившийся примерно через 825 млн лет после Большого взрыва, соответствовал всем критериям, определённым для галактик населения III.

Это открытие делает GLIMPSE-16403 лучшим кандидатом для поиска звёзд, которые зажгли первый свет во Вселенной. Чтобы определить природу звёзд в GLIMPSE-16403, потребуется дополнительная работа, которая может оказаться непростой: нужен детальный спектральный анализ, а его трудно получить на столь огромном расстоянии в пространстве-времени. Тем не менее, это невероятно захватывающее открытие, которое делает обнаружение звёзд населения III, как представляется, неизбежным.

Космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» позволила заглянуть в раннюю Вселенную, где учёные увидели много неожиданного, что способно изменить наше представление о её эволюции. Например, развитые не по годам галактики и слишком большие чёрные дыры, что трудно объяснить общепринятыми теориями. Но, как и любой инструмент, «Уэбб» позволяет находить ответы на заданные вопросы. Необходимо лишь время и наблюдения.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Весной 2024 года впервые стало известно об открытии «Уэббом» нового класса галактик. На инфракрасных изображениях, полученных обсерваторией, обнаружилось много «красных точек», которые при дальнейшем изучении были классифицированы, как далёкие галактики. Их так и назвали галактиками «маленьких красных точек» (Little red dots, LRD). Позже было выяснено, что эти галактики могут содержать в своих центрах сверхмассивные чёрные дыры, иначе говоря, считаться квазарами или активными ядрами галактик.

Но это были не те квазары, к которым мы привыкли после их открытия около 70 лет назад. Активные ядра «маленьких красных точек» не наблюдались в рентгене и, в целом, были относительно слабосветящимися. Новая работа, которая пока присутствует лишь на сайте препринтов arXiv, была направлена на более детальное изучение LRD-галактик и, похоже, вскрыла их подноготную.

«В 2023 и 2024 годах мы и другие группы в первых наборах данных "Уэбба" обнаружили в ранней Вселенной ранее скрытую популяцию AGN [активных ядер галактик], — сказал Йоррит Маттее (Jorryt Matthee), ведущий автор работы. — Свет, который мы видим от этих объектов, в частности более красный свет, исходит от аккреционных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр. Эти объекты стали известны как "маленькие красные точки", потому что именно так они появляются на изображениях JWST».

Благодаря дополнительным наблюдениям и расчётам, учёные смогли точно составить 3D-карту расположения семи LRD-галактик. Все идентифицированные галактики находились удалении около 1,5 млрд световых лет от Большого взрыва. Оценка звёздного населения галактик показала, что на центральные сверхмассивные чёрные дыры в каждой из них приходится примерно по 10 % массы. Это чрезвычайно много — до 1000 раз массивнее, чем принято было считать. В окружающих нас галактиках и там, где мы можем определить массу СЧД, на долю этих объектов приходится не более 0,01 % массы. При этом диаметр галактик LRD составляет всего единицы процентов от диаметра, скажем, Млечного Пути.

Некоторые из открытых галактик «маленьких красных точек». Источник изображения: NASA

С другой стороны, открытие галактик «маленьких красных точек» может стать шагом к объяснению такого феномена, как слишком быстрый рост сверхмассивных чёрных дыр. В ранней Вселенной обнаружено много непомерно больших СЧД менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, что нельзя объяснить общепринятой теорией эволюции этих объектов.

Существует гипотеза, что они изначально были большими, родившись из массивных затравок из облаков первичной материи. Открытие галактик LRD может намекать на иной вариант развития событий, а именно на высокую концентрацию вещества в пространстве ранней Вселенной, что позволяло чёрным дырам питаться на пределе своих возможностей и быстро набирать массу.

Явления космических масштабов могут быть стремительными, как показал телескоп «Джеймс Уэбб» в процессе наблюдения за двойной системой звёзд Вольфа–Райе WR 140. «Уэбб» наблюдал эту систему с интервалом около 14 месяцев и зафиксировал значительные изменения за столь короткий по меркам Вселенной срок. Система WR 140 формирует в своём центре расходящиеся концентрические волны звёздной пыли, которые улетают прочь буквально на глазах у учёных.

Источник изображений: NASA

Звёзды Вольфа–Райе считаются фабриками звёздной пыли, поскольку обладают наиболее мощными звёздными ветрами. Это особенно важно, так как они выбрасывают углерод из своих недр — элемент, являющийся одним из ключевых атрибутов биологической жизни. Такие звёзды окружены пылевой оболочкой, а если это двойная система, как WR 140, то в процессе орбитального движения пары звёзд пылевые возмущения создают невероятную картину.

Сравнение снимков распространения пылевых волн с интервалом около 14 месяцев

Центральная звезда максимально сближается со своим партнёром ровно раз в 7,93 года. В этот момент звёздные ветра от обеих звёзд сталкиваются наиболее интенсивно, что порождает интерференционную картину расходящихся волн в облаке пыли. Волны распространяются со скоростью 2600 км/с, что составляет около 1 % от скорости света. «Уэбб» сделал первый снимок в 2022 году, а второй — спустя неполных 14 месяцев. Сравнение снимков демонстрирует, что явления космических масштабов могут происходить в промежутки времени, соизмеримые с человеческой деятельностью.

Расходящиеся кольца — это лишь видимая часть изменений в сплошном облаке пыли. Вокруг звёзд находится гораздо больше вещества, в том числе атомов углерода, чем может запечатлеть космический телескоп. Система WR 140 изучена настолько хорошо, что за распространением пыли в её окрестностях можно наблюдать как за природной астрофизической лабораторией, буквально с хронометром в руках, изучая динамику поведения вещества и физику процессов.

Если бы наше Солнце могло испускать такие волны пыли, расстояние между ближайшими волнами примерно равнялось бы 5 % дистанции между нашей звездой и Альфой Центавра — ближайшей соседкой Солнца. Это красивое и интересное явление, которое телескоп «Джеймс Уэбб» несомненно поможет изучать в дальнейшем.

Обычно учёные даже не надеются разглядеть отдельные звёзды в далёких галактиках. Между тем, изучение звёзд на ранних этапах развития Вселенной необходимо для понимания эволюции галактик и Вселенной в целом. И тогда спасает случай, эффект гравитационного линзирования и появление более совершенных телескопов, таких как «Джеймс Уэбб». И звёзды сошлись.

Источник изображений: NASA

Астрономам из Университета Аризоны (University of Arizona) посчастливилось обнаружить одновременно десятки звёзд в галактике на таком отрезке времени, когда Вселенная была вдвое моложе — возрастом всего 6,5 млрд лет. В обычных условиях такая галактика выглядела бы на астрономических снимках, как тусклое пятно. Благодаря гравитационном линзированию в ней удалось разглядеть 40 отдельных звёзд и получить о них достаточное представление.

Открытие произошло благодаря двум наблюдениям «Уэбба» за сверхскоплением галактик Abell 370 на удалении примерно 4 млрд лет от Земли. На линии прямой видимости между Землёй и скоплением далеко за ним расположилась галактика «Дуга Дракона» (Dragon Arc). Изучение снимков скопления, сделанных «Уэббом» с разницей примерно в один год, помогло выявить четыре десятка звёзд, которые оказались родом из далёкой галактики.

Одни из обнаруженных далёких звёзд были ярче на одном снимке, другие — на втором. Анализ показал, что звёзды увеличивались как всей массой скопления Abell 370, эффект от чего назвали гравитационным макролинзированием, так и от отдельных звёзд в скоплении, которые не входили ни в какие тамошние галактики (летали свободно). Именно эти звёзды производили эффект гравитационного микролинзирования, меняя увеличение (и яркость) далёких звёзд за короткий промежуток времени — за недели и даже дни. И если скопление увеличивало галактику «Дуга Дракона» и отдельные звёзды в ней примерно в 100 раз, то отдельные звёзды в скоплении увеличивали свет далёких звёзд ещё примерно в 10 раз.

Сочетание редких условий и проницательность, а также упорство учёных дали поразительный результат — 40 наблюдаемых звёзд в галактике на удалении 6,5 млрд световых лет от Земли. Все они оказались красными гигантами на исходе своей жизни, как относительно недалёкая от нас яркая звезда Бетельгейзе. Примечательно, что «Уэбб» стал тем прибором, который впервые так далеко смог увидеть относительно холодные звёзды, ведь раньше самыми далеко обнаруживаемыми звёздами были яркие голубые гиганты. С помощью «Уэбба» астрономия взяла ещё одну планку и расширила для земной науки наблюдаемую Вселенную.

Один из запланированных штатных обзоров неба, выполненных обсерваторией имени Джеймса Уэбба, привёл к случайному, но удивительному открытию. В данных телескопа учёные обнаружили одну из самых совершенных галактик, известных во Вселенной, — спиральную галактику с упорядоченной структурой. Таких галактик, на поздних этапах эволюции Вселенной, обнаружено не более 10 %. «Уэбб» зафиксировал это чудо совершенства всего через один миллиард лет после Большого взрыва.

Близкая к нам галактика M1 — пример спиральной галактики с упорядоченной структурой. Источник изображения: NASA

Открытие сделала команда под руководством астронома Мэнъюань Сяо (Mengyuan Xiao) из Женевского университета в Швейцарии (University of Geneva). Галактика получила название Чжу-лун (дракон-предок или дракон с факелом).

«Чжу-лун показывает, что зрелые галактики возникли намного раньше, чем ожидалось, в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, — пишет команда. — Наше открытие накладывает серьёзные ограничения на модели формирования массивных галактик и происхождения спиральных структур в ранней Вселенной».

Большинство известных нам спиральных галактик занимают промежуточное положение между строго упорядоченными и фрагментированными. Галактик со строго упорядоченной структурой — с аккуратными и симметричными рукавами и ярко выраженными структурными элементами — насчитывается всего около 10 %. Для образования такого порядка требуется чрезвычайно много времени.

Галактика Чжу-лун в данных «Уэбба». Источник изображения: University of Geneva

Тем удивительнее было обнаружить такую галактику всего через один миллиард лет после Большого взрыва. Это указывает на то, что галактики типа нашего Млечного Пути должны эволюционировать в десять раз быстрее, чем предполагалось ранее, а вокруг нас ничего подобного не наблюдается. Более того, до появления «Уэбба» мы не видели подобных хорошо структурированных галактик на удалении до 11,5 млрд световых лет. Галактика Чжу-лун была обнаружена на расстоянии, соответствующем возрасту Вселенной 12,8 млрд лет назад, что требует своего объяснения.

Анализ данных по Чжу-лун показал, что скорость звездообразования в этой галактике замедляется и на момент наблюдения составляла от 20 до 155 солнечных масс в год (для сравнения, скорость звездообразования в Млечном Пути составляет около трёх солнечных масс в год). Чёрная дыра в центре Чжу-лун демонстрирует состояние покоя. По всем признакам, галактика завершила свою эволюцию в те времена, когда Млечный Путь только начинал своё формирование. Но даже сейчас Млечный Путь не столь организован, как Чжу-лун 12,8 млрд лет назад.

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.