У своєму прагненні дізнатися більше про перші зірки і галактики, що осяяли ранній космос, астрономи все більше занурюються в темряву. Хоча і є натяки на можливе просвітлення, яке приходить із кожним новим відкриттям.
Такий майже неминучий висновок із перших спостережень космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), обсерваторії вартістю 10 мільярдів доларів, яку запустили в липні 2022 року.
Апарат був створений для спостереження за слабким інфрачервоним світінням найвіддаленіших (у часі та просторі) об'єктів Всесвіту. Зараз JWST бачить на відстані перших сотень мільйонів років після Великого вибуху. Тому йому вдається отримати більше даних про новонароджені галактики, ніж іншим телескопам.
Але його галактичні "дитячі фотографії" виявилися щедрішими, ніж очікувалося. М'яко кажучи, дослідники і не мріяли побачити те, що ніколи не припускали.
Зокрема, галактики-кандидати раннього Всесвіту з'являються в кількості, яка не піддається стандартно-модельному прогнозуванню: тільки на середину грудня 2022 року їхня кількість зросла до кількох десятків "штук".
Пояснення такого "перевиробництва" може вимагати якісного перегляду домінуючих космологічних моделей. Включаючи і фантастичне - перші галактики утворилися раніше, їхні зірки світять яскравіше. А, можливо, природа темної матерії або темної енергії ще складніша і загадковіша, ніж вважалося раніше.
Тепер дві з найбільш привабливих кандидатів у ранні галактики, виявлених JWST, витримали подальше вивчення, зміцнивши підозри горе-космологів у тому, що наші знання про космічну історію вельми неповні.
Датовані 350 і 450 мільйонами років після Великого вибуху, обидві галактики на момент їх відкриття були старшими за всі відомі раніше. Вони виявлені незалежно одна від одної двома командами, одна з яких очолювалася Роханом Найду, що працює в Массачусетському технологічному інституті, а інша - Марко Кастеллано з Римської астрономічної обсерваторії.
Спочатку розміщені на сервері препринтів arXiv.org, дві статті, що розповідають про ці відкриття, подолали ключову перешкоду у вигляді рецензованої публікації, кожна з яких з'явилася в журналі Astrophysical Journal Letters наприкінці осені.
Це не просто торжество технології - ранні проблеми з калібруванням інструментів JWST викликали в астрономів побоювання, що наявні результати потенційно спотворюють реальну дистанцію до "юних" галактик. Деякі вчені навіть заговорили про появу "самозванців", які претендують на почесне місце в середовищі ранньої космічної спільноти.
Але після ретельної експертної оцінки "ми можемо з великою впевненістю сказати, що калібрування не є проблемою для цих галактик", - каже Кастеллано.
"Це дуже надійні кандидати. Ми остаточно позбулися проблем із калібруванням".
Як завжди, необхідні подальші спостереження, щоб остаточно підтвердити їхні рекордні відстані.
Тим часом астрономи знайшли ще кілька кандидатів у ранні галактики. Деякі з них, схоже, виникли на відстані 200 мільйонів років після Великого вибуху.
До запуску JWST ніхто не знав, чи могли галактики утворитися так рано. Передбачалося, що 13,8 мільярдів років тому матерія все ще спокійно коалесціювала в гравітаційно пов'язані згустки, необхідні для народження великих груп зірок.
"І ось ми ставимо собі питання: "Чи справді ми розуміємо ранні фази формування цих галактик?" - запитує Гарт Іллінгворт, астроном із Каліфорнійського університету в Санта-Круз, на прес-конференції, організованій НАСА.
"Перед теоретиками виникло дуже багато запитань". Головне з них - як саме темна матерія спрямовувала первородні галактики?
Протягом перших кількох сотень тисяч років після Великого вибуху космос був настільки гарячим, що гравітація не могла разом стягнути звичайну матерію. А тим паче скомпонувати великі протогалактичні скупчення.
Однак це "не було проблемою для темної матерії", - думає Хорхе Пеньярубія, космолог з Единбурзького університету в Шотландії. - Тому що темна матерія не взаємодіє за допомогою електромагнітних сил".
Іншими словами, господарем невидимої субстанції є лише гравітація, - і це означає, що за лічені миті після Великого вибуху, коли ще панував первісний хаос, саме гравітація склеювала темну матерію у великі скупчення, таким чином оформивши гало майбутніх галактик.
Ореоли ТМ діяли як гравітаційні поглиначі для нормальної матерії. Рухи зірок свідчать про їхню стійкість і донині. Такі ореоли все ще оточують галактики, подібні до нашої. Величні, але невидимі скульптори сучасного космосу.
Швидке відкриття ранніх галактик "можливо, напружує наше розуміння того, як формувалися ранні структури темної матерії", - каже Рейчел Сомервілл, астрофізик з Інституту Флетайрон, Нью-Йорку.
Теоретики виявили, що прості моделі темної матерії, в яких вона взаємодіє тільки з собою і звичайною матерією за допомогою гравітації, можуть точно відтворити великомасштабну космічну структуру.
Але природа не гарантує простоти. Насправді, ТМ може взаємодіяти сама з собою через ще невідому силу, можливо, через частинку, яка не входить в прийняту Стандартну модель фізики.
"Якби темна матерія могла взаємодіяти сама з собою, це могло б змінити спосіб її згущення в ці ранні періоди", - пояснює Сомервілл.
"І тоді в ранньому Всесвіті могли б утворитися більш масивні ореоли темної матерії". Це пояснює швидке виникнення перших галактик.
Нестандартна ситуація також може легко призвести до швидшого зореутворення в ранньому Всесвіті. Можливо, через те, що ореоли темної матерії швидше притягують матерію.
До слова сказати, Чумацький Шлях виробляє одну нову зірку на рік. Але стаття Кастеллано припускає, що швидкість зореутворення мала бути принаймні у 20 разів вищою у двох галактиках-кандидатах, запропонованих ним і Найду.
В іншій статті, отриманій із препринта JWST, припускають, що галактики розміром із Чумацький Шлях могли виникнути лише за пів мільярда років після Великого вибуху - сценарій, який вимагає шаленої швидкості. Десь у 10 разів вище, ніж за оцінками Кастеллано.
На думку Майкла Бойлана-Колчина, космолога з Техаського університету в Остіні, такі позамежні темпи зореутворення розширюють межі фізично можливого.
"Якщо ці значення вірні, то [галактики] повинні перетворювати всю свою масу на зірки так швидко, як тільки можливо", - каже він.
У цьому контексті правдоподібним видається інше припущення: у ранньому Всесвіті зірки якимось чином більш ефективно накопичували масу. Що призводило до появи більших і яскравіших світил, сьогодні доступних JWST.
"Можливо, створюється ціла маса дуже-дуже громіздких зірок, - фантазує Стівен Вілкінс, астроном із Сассекського університету в Англії. Йдеться про зоряну популяцію III, імовірно першого скупчення Всесвіту.
Хоча астрономам ще належить провести спостереження астрономічних об'єктів цього класу, існує безліч непрямих доказів їхнього існування. Виникнувши з первісного водневого і гелієвого газу, яким був заповнений ранній Всесвіт, зірки III популяції не мали важких елементів. Тому вони досягли гігантських розмірів - у сотні разів більших, ніж наше Сонце.
Але, подібно до найяскравіших і найкоротших свічок, час життя цих зірок не перевищував кількох мільйонів років. Чи виявимо ми їхнє передсмертне світіння - питання.
Однак можливо, що деякі з більш віддалених галактик, уже знайдених JWST, можуть містити докази існування зірок популяції III.
Яскравість перших галактик може бути пояснена і "спадкоємністю" зоряної популяції II і зоряного скупчення I, до яких, гіпотетично, належить наше Сонце.
"Таке, безумовно, можливо", - каже Деніел Уолен, космолог із Портсмутського університету в Англії.
Але, щоб перевірити цю гіпотезу, необхідно провести спектроскопічне спостереження за більш віддаленими галактиками-кандидатами. Вельми трудомісткий процес збору райдужного спектра випромінюваного галактикою світла. Але вчені сподіваються, що Джеймс Вебб з'ясує, які хімічні елементи присутні в зірках, що їх складають.
За словами Волена, однією з явних ознак зоряної популяції III може бути специфічна спектральна особливість гелію, що виникає тільки в тих світилах, температура атмосфери яких перевищує 100 000 градусів за Цельсієм.
"Ось доказ масивної зірки популяції III", - переконаний космолог.
Глобальні спостереження мають розпочатися найближчим часом. Джейхан Карталтепе з Рочестерського технологічного інституту входить до складу групи, яка отримала дозвіл на використання JWST для спостереження за кількома ранніми галактиками-кандидатами, виявленими під час дослідження Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey.
Вибрані кандидати вирізняються високим червоним зсувом - розтягуванням довжин хвиль їхнього світла, спричиненим розширенням Всесвіту протягом космічного часу. У такий спосіб планується обстежити не тільки зоряне населення галактик, а й перевірити "реальність" космічного віку.
За словами Карталтепе, вимірювання дадуть змогу астрономам "зрозуміти темпи зореутворення і вік зірок".
Програма, початок якої очікується не раніше кінця грудня, використовуватиме вісім годин роботи JWST для отримання спектрів трьох цільових галактик. У майбутньому очікується ще багато подібних програм.
Існують і інші, більш інтригуючі ідеї. Якщо JWST виявить, що очевидний ранній сплеск утворення масивних галактик раптово ослаб у наступні космічні епохи, астрономи отримають докази того, що Всесвіт розширювався швидше, ніж у своїй юності. Приблизно вдвічі швидше, ніж передбачають нинішні оцінки, каже Нікола Менчі, дослідник з Астрономічної обсерваторії Риму.
Чому?
А вся справа у впливі певного (і поки що повністю гіпотетичного) різновиду темної енергії - загадкової і таємничої сили, яка, мабуть, є рушійною силою Всесвіту.
Так звані фантомні моделі темної енергії дозволяють їй коливатися в космічному часі. Якщо такі моделі вірні, то вплив темної енергії на розширення Всесвіту незабаром після Великого вибуху міг бути більш грандіозним, ніж сьогодні.
Перші результати, отримані за допомогою JWST, "здається, суперечать більшості логічних моделей, які ми розглядали досі", - стверджує Менчі. А саме Лямбда-холодної темної матерії (Лямбда-CDM), теоретичної моделі, що містить у собі найкращі на даний момент оцінки властивостей темної матерії і темної енергії.
Пропоновані ідеї, хоча і здаються надуманими, поки що не можна виключати, оскільки астрономи продовжують боротися зі зростаючим масивом кандидатів у галактики в ранньому Всесвіті.
Деякі з них, найімовірніше, виявляться міражами - набагато ближчими системами, що маскуються під більш віддалені, оскільки містять велику кількість пилу, який також викликає червоний зсув їхнього світла.
Однак початкові спостереження за допомогою Атакамського великого міліметрового/субміліметрового масиву (ALMA) не виявили жодних доказів високого вмісту пилу.
"Незважаючи на цікаві результати ALMA, JWST - єдиний інструмент, який пропонує остаточні відповіді щодо цих галактик", - не сумнівається Кастеллано.
Додаткові спостереження ранніх галактик проведуть до червня 2023 року. Найцікавіші результати вчені отримають під час другого наукового року, циклу 2, для якого астрономи вже зараз пишуть дослідницькі програми.
"Спектроскопічні спостереження за допомогою JWST дуже важливі і, ймовірно, домінуватимуть у запитах щодо далеких галактик у другому циклі", - каже Іллінгворт.
"У нас є проблема, і вона реальна: звідки, чорт забирай, взялися ці яскраві штуки? Їх не було в книзі казок. Ми справді маємо зрозуміти, що тут відбувається".
Джерело: Science American
