Астрономы заметили нечто загадочное в начале времен

 Монстры скрываются на заднем плане изображений космического телескопа Джеймса Уэбба. Ученые пытаются разобраться в них.

Космический телескоп Джеймса Уэбба может создавать изображения «глубокого поля зрения», раскрывающие историю космоса. (Фото: vox.com)

Вскоре после того, как в 2022 году был запущен космический телескоп Джеймса Уэбба, у астрономов отвисла челюсть.

«Я помню, как подумал: «Этого просто не может быть!» — говорит Майк Бойлан-Колчин, астроном Техасского университета в Остине.

Наблюдения, о которых он говорит, нам с вами покажутся маленькими размытыми красными пятнами среди поля других пятен и пятен. Но, по его мнению, они представляли собой потенциальный вызов той истории, которую ученые старательно создавали о годах становления нашей Вселенной.

То есть, через некоторое время после Большого взрыва, около 12 с лишним миллиардов лет назад, когда Вселенная превратилась из темного, рассеянного места, полного газа, в наполненную светом Вселенную, населенную звездами и галактиками. Это эпоха, которая заложила основу для всего будущего — включая нашу Солнечную систему, а также нас с вами.

У ученых были некоторые теории о том, что произошло в этот решающий период, но новый телескоп проверил их, наблюдая за областями космоса, которые люди никогда раньше не видели.

В перекрестии: эти пузырьковые источники света вызывают переполох среди астрономов. (Фото: vox.com)

И если наблюдения верны, подумал Бойлан-Колчин, «все, что мы знаем о космологии, на каком-то уровне неверно». Космология — это изучение того, как наша Вселенная развивалась с древнейших времен. Таким образом, возможность ошибиться в этом «была довольно неприятной», говорит он.

Бойлан-Колчин был взволнован, но не одинок в своих мыслях. «Я даже не могу представить, насколько ошеломляющими были данные JWST [космического телескопа Джеймса Уэбба] в прошлом году», — говорит Кейтлин Кейси, также астроном из UT в Остине. «Мы видели всевозможные дикие, дикие вещи в ранней Вселенной».

Я разговаривал с несколькими астрономами об этих открытиях, и не все согласны с тем, что они приведут к полному переписыванию истории времени. По крайней мере, до тех пор, пока не будет проведено больше наблюдений и не будет проведена дополнительная дополнительная работа.

Но большинство согласились, что здесь есть чему поучиться. И именно такие моменты в науке, когда наблюдения не совпадают с предсказаниями, являются захватывающими. Они часто открывают путь к фундаментальным новым открытиям. И чем необъяснимее, тем они интереснее.

Мы уже сталкивались с этими захватывающими главами в науке. В 1960-х и 70-х годах, когда Вера Рубин наблюдала галактики, вращающиеся с неожиданной скоростью, это открыло дверь для «открытия» темной материи — чрезвычайно важного, глубоко загадочного вещества, которое составляет 85 процентов всей материи и действует как строительные леса. Вселенной. И затем неожиданное наблюдение на орбите Меркурия в 19 веке могло быть раскрыто только тогда, когда Альберт Эйнштейн переосмыслил наше понимание гравитации в 20 веке. Эти моменты «это не может быть правильным!» часто приводят ученых к раскрытию более глубоких истин или раскрытию новых, неизведанных глубин их коллективного невежества.

«Я думаю, мы все можем согласиться с тем, что [наблюдения] странны в том смысле, что их нелегко объяснить», — говорит Эрини Ламбридес, астрофизик, работающая в рамках стипендии НАСА. «Несмотря на это, это монументально, потому что я никогда не видел, чтобы так много людей из разных областей астрономии проявляли заботу».

Так что хватит дразнить! Что наблюдали астрономы, из-за чего у них отвисли челюсти?

JWST обнаружил галактики, которые, по мнению ученых, не должны существовать

Для начала полезно вспомнить, для чего был построен космический телескоп Джеймса Уэбба, часто называемый JWST.

На Земле астрономы часто строят телескопы на вершинах гор и в отдаленных пустынях, чтобы беспрепятственно видеть небо. Но атмосфера Земли по-прежнему портит вид. Космос — это «высшая горная вершина», как объясняет НАСА.

JWST был запущен в декабре 2021 года как преемник космического телескопа Хаббла и во многих отношениях совершенствует своего предшественника. Например, благодаря своим огромным золотым зеркалам и инфракрасным камерам он может лучше наблюдать за планетами, вращающимися вокруг звезд, отличных от нашего Солнца.

Но для этого обсуждения важно то, как он может наблюдать дальше во времени, чем телескоп Хаббл.

В астрономии, чем дальше объект находится в зеркале телескопа, тем он старше, поскольку свету требуется время, чтобы преодолеть такие большие расстояния. Некоторые из световых снимков, полученных JWST, почти так же стары, как сама Вселенная: они датируются 100–250 миллионами лет после Большого взрыва — относительно молодых дней нашей Вселенной, возраст которой, как полагают, составляет 13,77 миллиарда лет. Этот свет находится так далеко, что проделал путь, равный возрасту Вселенной, чтобы достичь нас.

Таким образом, когда JWST фокусирует свои зеркала на определенном участке неба, он может видеть сквозь время. Самые дальние объекты на изображении являются самыми старыми. Те, что на переднем плане, более актуальны. Изображения, содержащие эту богатую историю, называются наблюдениями «глубокого поля». И хотя они кажутся нам в двух измерениях, в них учёные могут увидеть, как развивалась Вселенная.

Иллюстрация того, как JWST отражает на своих изображениях огромный интервал возраста Вселенной. (Фото: vox.com)

До JWST космический телескоп «Хаббл» позволил человечеству глубже заглянуть в эволюцию космоса. И на снимках Хаббла ученые увидели закономерность. По мере того, как они заглядывали в прошлое, галактик становилось все меньше и меньше, и они становились все меньше и меньше.

«Глубокое поле Хаббла» — изображение 1995 года, которое помогло астрономам определить количество галактик во Вселенной. (Фото: vox.com)

Это имеет интуитивный смысл. Точно так же, как окаменелости в самых старых слоях земной коры представляют собой более примитивные формы жизни, самые старые галактики на изображениях глубокого поля должны представлять собой более примитивные галактики. И они отличаются от современных галактик тем, что у них было самое короткое время на сборку. Они были подростками по сравнению с сегодняшними большими взрослыми галактиками.

Когда JWST появился в сети, астрономы захотели заглянуть глубже в прошлое. Они думали, что картина изображений Хаббла будет продолжаться.

«Мы думали, что, возможно, увидим еще пару далеких галактик, но они будут очень, очень редкими», — говорит Кейси. «Мы действительно не думали, что там так много происходит».

Но это не то, что они видели.

«Когда включился JWST, — говорит Бойлан-Колчин, — стало очевидно, что [тогда] было намного больше света и намного больше галактик».

Хотя галактики кажутся нашим глазам размытыми каплями, ученые могут изучать качество исходящего от них света и делать выводы об их размере и возрасте.

Ранний анализ показал, что многие из этих галактик были, по-видимому, огромными — полноценными взрослыми, а не подростками. «Мы обнаружили действительно зрелые, большие и яркие галактики, расположенные даже дальше, чем мы ожидали», — говорит Кейси. Продолжая метафору окаменелостей, это было бы похоже на обнаружение свидетельств существования развитых форм жизни в слоях Земли, когда жизнь должна была только зарождаться.

Говоря более забавно, Кейси объясняет, что «в давние времена Вселенная устраивала вечеринку». И мы понятия не имели, что это происходит».

Ладно, вы можете подумать, и что? Еще в начале времен у нас были большие, яркие и многочисленные галактики. Возможно, неожиданно, но ведь это не нарушает законы физики, верно?

Ну, проблема во времени. «Мы действительно начинаем сталкиваться с возрастом самой Вселенной», — говорит Кейси. «У них было очень, очень мало времени, чтобы собраться».

Это как если бы вы листали семейный фотоальбом и осознали, что ваша бабушка всего за пару месяцев выросла из младенца во взрослую жизнь. Такое открытие может заставить вас задуматься, не упускаем ли мы важную часть понимания человеческого развития. Или каким-то образом темпы человеческого развития в прошлом работали по-другому.

Если эти галактики содержат количество звезд, предполагаемое этими ранними наблюдениями, их существование должно быть практически невозможным.

Для этого потребуется, говорит Бойлан-Колчин, «весь газ в системе превратиться в звезды, чего вы вообще никогда не увидите нигде во Вселенной». Таким образом, даже в галактиках, в которых действительно интенсивно образуются звезды, мы видим больше газа, чем звезд». Газ всегда остается в процессе формирования из него звезд.

Иными словами, еще проще: эти наблюдения JWST, на первый взгляд, не имеют смысла.

Что же такое происходит?

Итак… чем же объясняются эти яркие, большие галактики?

Короче говоря: они еще не знают.

Хотя большинство астрономов, с которыми я разговаривал, заявили, что, по их мнению, в этих галактиках действительно есть что-то странное, следует предостеречь: еще рано, и необходимо провести дополнительные наблюдения, чтобы подтвердить их возраст и размер.

«Я думаю, у нас пока недостаточно данных», — говорит Кристина Уильямс, астроном из NOIRLab. «Мы должны помнить, что объем данных, полученных JWST, на самом деле сейчас исследует лишь мельчайшую часть Вселенной. У нас есть очень маленькие участки неба, на которые мы смотрели».

(Есть еще несколько источников неопределенности, добавляет Уильямс. Первый заключается в том, что масса и возраст многих галактик все еще нуждаются в подтверждении с помощью более обширных последующих исследований. Во-вторых, Уильямс также сказал мне, что возможно, что некоторые из ученых, занимающихся формулами, все еще нуждаются в проверке. "Звезды в ранней Вселенной были другими, чем сегодня", - говорит она. - Например, в них было меньше тяжелых металлов).

Некоторое волнение вокруг этих галактик может со временем утихнуть. Но если они подтвердятся, ученым придется выяснить, почему они там.

Ученые, с которыми я разговаривал, обрисовали несколько возможностей: от небольших изменений в нашем понимании до, как их называет Бойлан-Колчин, «наиболее разрушительных» вариантов.

Что удивительно, так это то, что каждый вариант представляет собой отдельную развилку, ведущую к новым вопросам, новым возможностям и новому пониманию нашей науки или Вселенной.

Вариант 1. Возможно, что звезды и галактики просто сформировались по-другому и, возможно, более эффективно, раньше во Вселенной.

«Если подумать о ранней Вселенной, то это действительно темное место по сравнению с тем, где мы живем сейчас», — объясняет Кейси. Просто звезд и галактик было меньше. «И этот свет на самом деле ядоговоры о том, как звезды формируются из новых газовых облаков. Иногда из-за этого становится сложнее формировать звезды. В ранней Вселенной эти прожекторы не горели, и поэтому звезды могли образовываться очень, очень быстро — но сегодня это невозможно, потому что прямо сейчас прожекторы включены».

Идея состоит в том, что звездный свет сам по себе препятствует развитию других звезд. «Возможно, — говорит Бойлан-Колчин, — что замедление звездообразования не происходило в ранней Вселенной». Что затем привело к появлению этих массивных галактик. Но как именно, ученые не уверены. Этот вариант, по его словам, «был бы неожиданным, но не потребовал бы фундаментального пересмотра всего, что мы знаем о формировании галактик и космологии».

Второй вариант: что, если не звезды делают эти галактики такими яркими?

«Альтернативное объяснение также очень сбивает с толку», — говорит Кейси. Вместо огромной массы звезд «возможно, мы наблюдаем одни из самых массивных, сверхмассивных черных дыр».

Это сбивает с толку, потому что да, JWST все еще наблюдает за галактиками. «Но есть ситуация, когда свет может исходить не от звезд», — объясняет Кейси. «И альтернативный вариант состоит в том, что свет исходит от очень, очень горячего диска материала, который засасывается в гигантскую черную дыру. И этот диск материала настолько горячий, что светится очень ярко. В некоторых ситуациях он может даже затмить галактику, в которой живет».

Это объяснение решает некоторые проблемы. Если предположить, что вся масса галактик обусловлена черными дырами, «вы получите гораздо более разумные звездные массы, которые не разрушают Вселенную», — говорит Ламбридес. Вам не нужно учитывать удивительно эффективное создание звезд. Но это решение коварно открывает дверь для других неприятных вопросов, которые могут иным образом нарушить наше понимание Вселенной.

Их вопрос: какого черта в ранней Вселенной так много сверхмассивных черных дыр?! Ученые знают, что сверхмассивные черные дыры играют определенную роль в развитии галактик. Но если эти наблюдения JWST представляют черные дыры, «это разбивает наши оценки того, сколько мощных, массивных и сверхмассивных черных дыр в настоящее время должно существовать вне воды», — говорит Ламбридес. «Мы не знаем, как черные дыры так быстро стали такими массивными».

Опять же, основная проблема здесь в том, что наблюдения не соответствуют ожиданиям. Это заставляет ученых думать, что они чего-то упускают в своем понимании Вселенной — чего-то потенциально очень большого.

Вариант 3. Самая крайняя вероятность заключается в том, что ученые упускают большую часть своего понимания космологии.

Космология — это одна часть рецепта, другая часть повествования о сотворении Вселенной, какой мы видим ее сегодня.

Ученые могут провести самые ранние наблюдения послесвечения Большого взрыва, которое представляет собой Вселенную до существования звезд. Они берут это изображение и, используя свои знания о свойствах Вселенной (гравитация, электромагнетизм), рассказывают историю о том, как Вселенная стала выглядеть так, как она выглядит сегодня.

Ученые знают, что история неполная. Огромные ее части — такие как темная материя (загадочная форма материи, которая, кажется, удерживает галактики вместе) и темная энергия (еще более загадочная сила, лежащая в основе ускорения расширения Вселенной) — до сих пор до конца не изучены.

Но, возможно, эта история также неполна в том смысле, который они ранее не рассматривали.

Это самый радикальный вариант. «Очень трудно ожидать полного пересмотра нашей картины космологии, потому что она настолько успешна во многих отношениях», — говорит Бойлан-Колчин. Даже их неполная история может во многом объяснить, почему Вселенная выглядит именно так, как сегодня.

Новые наблюдения JWST могут быть решены путем настройки космологической модели. Некоторые из этих изменений могут в конечном итоге изменить оценку возраста Вселенной. А может быть, темная материя и темная энергия сложнее, чем предполагали ученые ранее. «Все эти [варианты] в некотором роде разрушительны», — говорит Бойлан-Колчин.

«Или…» — и это подводит нас к варианту 4: «… есть какой-то другой компонент Вселенной, который мы даже не учли», — говорит он.

Почему важно, поймут ли ученые, какой это вариант?

Найти свое место — значит проследить историю космоса. «Если мир вокруг нас зависит от того, что потребовалось, чтобы попасть в этот мир, нам нужно изучить этот путь», — говорит Ламбридес. «Почему Земля? Почему Млечный Путь? Почему Солнечная система? … Многое из этого уходит корнями в самое начало Вселенной».

Это похоже на то, как будто людей поместили в коробку-головоломку Вселенной. И чем глубже мы всматриваемся в это, тем более запутанным это часто становится.

Потребуются гораздо более тщательные наблюдения за этими галактиками, чтобы сузить возможности и выяснить, почему они такие сумасшедшие. И хорошая новость в том, что для этого еще будет время: ожидается, что JWST будет оставаться онлайн в течение 20 лет.

Ответы не придут быстро и легко, но для учёных, ищущих их, они просто мучительны. Это чистый вопросболен исследованиями.

«Представьте себе чудо первого человека, который ступил на Антарктиду и увидел там пингвинов», — говорит Рохан Найду, физик Массачусетского технологического института. «Это похоже на атмосферу, которая происходит сейчас».

Мы только начинаем наблюдать эту эпоху времени, которая, опять же, ранее была для нас затемнена. «Чтобы запустить этот телескоп, потребовались тысячи людей», — говорит Ламбридес. «И я думаю, что потребуются тысячи людей, чтобы понять данные, полученные в результате этого. У нас есть куда двигаться».

Источник