Цивилизация
Во время запуска телескопа James Webb в 2021 году астрономы неоднократно отмечали его разрешение и чувствительность. Они позволили увидеть свет первых во Вселенной галактик, образовавшихся спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Для этого зеркало James Webb направили на самые отдаленные объекты — те, чей свет, испущенный более 12 млрд лет назад, достиг Земли лишь сейчас. Иными словами, телескоп дал возможность заглянуть в прошлое мироздания. В этом его решающее отличие от аппаратов-предшественников.
Космологическая модель под угрозой
Когда астрономы получили такие кадры — не поверили своим глазам. Первые галактики молодой Вселенной выглядели очень старыми, то есть очень массивными и успевшими собрать множество звезд за миллиарды лет.
Такой вывод был сделан на основе их суммарной яркости, которая в целом коррелирует с массой содержащихся звезд. В любом случае у ученых не было другого инструмента для оценки: разрешения телескопа было недостаточно, чтобы различить мелкие детали, и потому галактики выглядят как светлое пятно. Согласно этим данным масса галактик была примерно в 50 раз больше, чем предсказывали модели, и приближалась к массе Млечного пути, который формировался более десяти миллиардов лет.
Поскольку оценки массы по светимости считаются надежными, под удар была поставлена современная космологическая модель.
Она предполагает, что после Большого взрыва материя разлеталась во все стороны в виде газа. В какой-то момент в течение первых 500 млн лет гравитация стянула более плотные области в остывающем космическом газе, образовав звезды и черные дыры. Потом эти звезды притянулись друг к другу и постепенно стали галактиками. В течение миллиардов лет они сливались между собой и росли в размерах.
Ученые предлагали разные объяснения наблюдаемому феномену. Некоторые считали, что первые звезды, лишенные тяжелых элементов, могли светиться экзотическим образом, так что к ним не применимы модели эволюции современных звезд. Другие призывали к полному пересмотру космологических моделей. Однако у загадки чрезмерной массы, вероятно, есть и консервативный ответ, не требующий научных революций.
Аномальная яркость галактик
Ученый китайского происхождения Гочао Сунь из американского Северо-Западного университета и его коллеги смоделировали формирование и эволюцию первых галактик. Используемый симулятор FIRE-2 воспроизвел поведение межзвездного газа и влияние на него образующихся из него же звезд. Кроме того, он учитывал последствия вспышек сверхновых (явление, при котором звезда резко увеличивает свою светимость), в том числе выброс ими в межгалактическую среду материи.
В результате удалось выяснить, что наблюдаемую яркость можно объяснить высокой общей массой. Ученые пришли к выводу, что звездообразование в таких галактиках может происходить «взрывами» (или вспышками), которые чередуются периодами с низкой частотой возникновения звезд. Таким образом, множество новых звезд рождается одновременно, что объясняет временную аномальную яркость.
«Большая часть света в галактике исходит от самых массивных звезд. Поскольку массивные звезды горят быстрее, их жизнь короче. Они быстро расходуют топливо в ядерных реакциях. Таким образом, яркость галактики скорее связана с тем, сколько звезд она сформировала за последние несколько миллионов лет, чем с массой галактики в целом», — пояснил один из авторов работы, ученый канадского происхождения Клод-Андре Фоше-Жигер.
Вспышка звездообразования в ранних галактиках происходит по следующей схеме. При достижении определенных условий из газа формируется множество звезд, которые спустя несколько миллионов лет вспыхивают как сверхновые. Эти вспышки выбрасывают из галактики газ, и в результате его взаимодействия с газом других галактик спустя миллионы лет образуются новые звезды, снова синхронной вспышкой.
Цикл начинается сначала и продолжается до тех пор, пока галактики не станут столь массивны, что сверхновые не смогут выбросить из нее газ. Тогда вспышки прекращаются, и звездообразование идет примерно с одинаковой скоростью, как в нашу эпоху в Млечном пути. Из-за этого падает пиковая яркость галактик, светимость становится почти постоянной.
Пример, как древнейшие галактики выглядят в James Webb
NASA, ESA, CSA, I. LABBEСимуляция позволила ученым получить ровно ту яркость древних галактик, которая наблюдается на снимках James Webb. Совпало и количество наблюдаемых и смоделированных галактик на пике светимости.
Предшественник James Webb
Идея «вспышечного» звездообразования высказывалась и раньше, но теперь ученые доказали жизнеспособность этой теории. Предложенная модель позволяет объяснить парадокс слишком старых, на первый взгляд, древнейших галактик без значимых изменений астрофизических моделей.
В 1990 году запуск телескопа Hubble уже приводил к пересмотру космологической модели. С первой половины XX века астрономам было известно, что Вселенная расширяется, но данные Hubble позволили выяснить, что это происходит с ускорением. У современной физики нет четкого объяснения этому феномену, но для математического описания Вселенной астрономы ввели понятие темной энергии — субстанции неизвестной природы, порождающей гравитационное отталкивание.
Над разгадкой природы темной энергии ученые бьются до сих пор и вряд ли придут к успеху в обозримом будущем.
Считается, что James Webb — это такой же шаг вперед, как в свое время Hubble. Поэтому, если объяснить какие-то из его наблюдений не удастся, астрономам придется менять космологическую модель.