10.10.2024. - Самые ранние галактики сформировались удивительно быстро

Самые ранние галактики сформировались удивительно быстро

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) - самый большой и мощный космический телескоп, построенный на сегодняшний день. С момента своего запуска в декабре 2021 года он позволил получить новаторские данные. В частности, были обнаружены самые ранние и самые отдаленные из известных галактик, которые существовали всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва.

Удаленные объекты также очень древние, потому что свету от них требуется много времени, чтобы достичь телескопов. В настоящее время JWST обнаружил несколько таких очень ранних галактик. Мы фактически оглядываемся назад во времени на эти объекты, видя их такими, какими они выглядели вскоре после рождения Вселенной.

Эти наблюдения JWST согласуются с нашим современным пониманием космологии — научной дисциплины, целью которой является объяснение Вселенной — и формирования галактик. Но они также раскрывают аспекты, которых мы не ожидали. Многие из этих ранних галактик сияют гораздо ярче, чем мы могли бы ожидать, учитывая, что они существовали совсем недолго после Большого взрыва.

Считается, что в более ярких галактиках больше звезд и больше массы. Считалось, что для такого уровня звездообразования требуется гораздо больше времени. В центрах этих галактик также находятся активно растущие черные дыры — признак того, что эти объекты быстро сформировались после Большого взрыва. Итак, как мы можем объяснить эти удивительные открытия? Нарушают ли они наши представления о космологии или требуют изменения возраста Вселенной?

Ученые смогли изучить эти ранние галактики, объединив детальные изображения JWST с его мощными спектроскопическими возможностями. Спектроскопия - это метод интерпретации электромагнитного излучения, которое испускается или поглощается объектами в космосе. Это, в свою очередь, может рассказать вам о свойствах объекта.

Наше понимание космологии и формирования галактик основывается на нескольких фундаментальных идеях. Одной из них является космологический принцип, который гласит, что в больших масштабах Вселенная однородна (везде одинакова) и изотропна (одинакова во всех направлениях). В сочетании с общей теорией относительности Эйнштейна этот принцип позволяет нам связать эволюцию Вселенной — то, как она расширяется или сжимается, — с ее энергетическим и массовым содержанием.

Стандартная космологическая модель, известная как теория "горячего большого взрыва", включает в себя три основных компонента, или ингридиента. Один из них - это обычная материя, которую мы можем видеть своими глазами в галактиках, звездах и планетах. Вторым ингредиентом является холодная темная материя (CDM), медленно движущиеся частицы материи, которые не излучают, не поглощают и не отражают свет.

Третья составляющая - это то, что известно как космологическая постоянная (лямбда). Это связано с так называемой темной энергией и является способом объяснения того факта, что расширение Вселенной ускоряется. Вместе эти компоненты образуют так называемую космологическую модель лямбда-CDM.

Темная энергия составляет около 68% от общего энергетического содержания современной Вселенной.

Несмотря на то, что темная материя не поддается непосредственному наблюдению с помощью научных приборов, считается, что она составляет большую часть вещества в космосе и составляет около 27% от общей массы и энергии Вселенной.

В то время как темная материя и темная энергия остаются загадочными, космологическая модель лямбда-CDM подтверждается широким спектром детальных наблюдений. К ним относятся измерение расширения Вселенной, космического микроволнового фона, или CMB ("послесвечение" Большого взрыва), а также развитие галактик и их крупномасштабное распределение - например, то, как галактики группируются вместе.

Модель лямбда-CDM закладывает основу для нашего понимания того, как образуются и эволюционируют галактики. Например, излучение CMB, которое возникло примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, дает представление о ранних колебаниях плотности, имевших место в ранней Вселенной. Эти колебания, особенно в темной материи, в конечном итоге развились в структуры, которые мы наблюдаем сегодня, такие как галактики и звезды.

Как образуются звезды

Формирование галактик состоит из сложных процессов, на которые влияют множество различных физических явлений. Некоторые из этих механизмов до конца не изучены, например, какие процессы управляют охлаждением и конденсацией газа в галактиках с образованием звезд.

Воздействие сверхновых, звездных ветров и черных дыр, которые выделяют значительное количество энергии (иногда называемых активными ядрами галактик, или AGN), может привести к нагреву или вытеснению газа из галактик. Это, в свою очередь, может стимулировать или замедлять звездообразование и, следовательно, влиять на рост галактик.

Эффективность и масштаб этих "процессов обратной связи", а также их кумулятивное воздействие с течением времени изучены недостаточно. Они являются существенным источником неопределенности в математических моделях формирования галактик.

За последние десять лет были достигнуты значительные успехи в комплексном численном моделировании формирования галактик. Понимание и подсказки все еще можно получить из более простых расчетов и моделей, которые связывают звездообразование с эволюцией ореолов темной материи. Эти гало представляют собой массивные невидимые структуры, состоящие из темной материи, которые эффективно удерживают галактики внутри себя.

Одна из более простых моделей формирования галактик предполагает, что скорость, с которой в галактике образуются звезды, напрямую связана с поступлением газа в эти галактики. Эта модель также предполагает, что скорость звездообразования в галактике пропорциональна скорости роста ореолов темной материи. Это предполагает фиксированную эффективность преобразования газа в звезды независимо от космического времени.

Эта модель "постоянной эффективности звездообразования" согласуется с тем, что звездообразование резко возросло в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Быстрый рост ореолов темной материи в этот период должен был обеспечить необходимые условия для эффективного звездообразования в галактиках. Несмотря на свою простоту, эта модель успешно предсказала широкий спектр реальных наблюдений, включая общую скорость звездообразования в течение космического времени.

Секреты первых галактик

JWST открыл новую эру открытий. Благодаря своим передовым приборам космический телескоп может получать как детальные изображения, так и спектры высокого разрешения — диаграммы, показывающие интенсивность электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого объектами в небе. Для JWST эти спектры находятся в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра. Изучение этой области имеет решающее значение для наблюдения за ранними галактиками, оптический свет которых превратился в ближний инфракрасный (или "смещенный в красное") по мере расширения Вселенной.

Красное смещение описывает, как длины волн света от галактик растягиваются по мере их распространения. Чем дальше галактика, тем больше ее красное смещение.

За последние два года JWST выявил и охарактеризовал галактики с красными смещениями, значения которых составляют от десяти до 15. Эти галактики, образовавшиеся примерно через 200-500 миллионов лет после Большого взрыва, относительно невелики для галактик (около 100 парсеков, или 3 квадриллиона километров, в поперечнике). Каждая из них состоит примерно из 100 миллионов звезд и образует новые со скоростью около одной солнцеподобной звезды в год.

Хотя это звучит не очень впечатляюще, это означает, что количество звезд в этих системах удваивается всего за 100 миллионов лет. Для сравнения, нашей галактике Млечный Путь требуется около 25 миллиардов лет, чтобы удвоить свою звездную массу.

Раннее формирование галактик

Неожиданные данные JWST о ярких галактиках с большим красным смещением, или расстояниях, могут свидетельствовать о том, что после Большого взрыва эти галактики сформировались быстрее, чем ожидалось. Это важно, поскольку бросает вызов существующим моделям формирования галактик. Описанная выше модель эффективности постоянного звездообразования, хотя и эффективна для объяснения большей части того, что мы видим, с трудом объясняет большое количество ярких и удаленных галактик, наблюдаемых с красным смещением более десяти, с красным смещением более десяти.

Чтобы решить эту проблему, ученые изучают различные возможности. К ним относятся изменения в их теориях о том, насколько эффективно газ превращается в звезды с течением времени. Они также пересматривают относительную важность процессов обратной связи — как такие явления, как сверхновые и черные дыры, также помогают регулировать звездообразование.

Некоторые теории предполагают, что звездообразование в ранней Вселенной, возможно, было более интенсивным или "взрывным", чем считалось ранее, что привело к быстрому росту этих ранних галактик и их видимой яркости.

Другие предполагают, что неожиданная яркость этих ранних галактик может быть обусловлена различными факторами, такими как меньшее количество галактической пыли, интенсивное распределение звездных масс или влияние таких явлений, как активные черные дыры.

Эти объяснения ссылаются на изменения в физике формирования галактик, чтобы объяснить результаты JWST. Но ученые также рассматривают возможность внесения изменений в широкие космологические теории. Например, обилие ранних ярких галактик может быть частично объяснено изменением так называемого энергетического спектра вещества. Это способ описать различия в плотности во Вселенной.

Одним из возможных механизмов достижения такого изменения энергетического спектра материи является теоретическое явление, называемое "ранней темной энергией". Это идея о том, что новый космологический источник энергии, имеющий сходство с темной энергией, возможно, существовал в древние времена при красном смещении в 3000 раз. Это было до того, как произошло излучение реликтового излучения, и всего через 380 000 лет после Большого взрыва.

Эта ранняя темная энергия должна была быстро распадаться после стадии эволюции Вселенной, известной как рекомбинация. Интересно, что ранняя темная энергия также могла бы ослабить напряженность Хаббла - несоответствие между различными оценками возраста Вселенной.

В одной из работ, опубликованных в 2023 году, высказывалось предположение, что открытие галактики JWST потребовало от ученых увеличить возраст Вселенной на несколько миллиардов лет.

Однако яркие галактики могут быть вызваны и другими явлениями. Прежде чем использовать наблюдения JWST для внесения изменений в общие представления о космологии, необходимо более детальное понимание физических процессов в галактиках.

Текущая рекордсменка по самой удаленной галактике, идентифицированная JWST, называется JADES—GS—z14-0. Данные, собранные на данный момент, указывают на то, что эти галактики обладают большим разнообразием различных свойств.

В некоторых галактиках наблюдаются признаки наличия черных дыр, излучающих энергию, в то время как в других, по-видимому, имеются молодые, свободные от пыли популяции звезд. Поскольку эти галактики слабые и наблюдение за ними сопряжено с большими затратами (требуется много часов экспозиции), на сегодняшний день с помощью спектроскопии было обнаружено только 20 галактик, для которых красное смещение превышает десять, и на создание статистической выборки уйдут годы.

Под другим углом зрения можно было бы наблюдать галактики в более поздние космические времена, когда Вселенной было от 1 до 2 миллиардов лет (красное смещение составляло от трех до девяти). Возможности JWST предоставляют исследователям доступ к важнейшим показателям звезд и газа в этих объектах, которые могут быть использованы для изучения общей истории формирования галактик.

Разрушая Вселенную?

В первый год работы JWST было заявлено, что некоторые из самых ранних галактик имели чрезвычайно высокие звездные массы (массы содержащихся в них звезд), и потребовалось изменение космологии, чтобы учесть яркие галактики, существовавшие в самой ранней Вселенной. Их даже окрестили галактиками, "разрушающими вселенную".

Вскоре после этого стало ясно, что эти галактики не разрушают Вселенную, но их свойства могут быть объяснены целым рядом различных явлений. Более точные данные наблюдений показали, что расстояния до некоторых объектов были завышены (что привело к завышению их звездных масс).

Излучение света от этих галактик может быть вызвано не только звездами, но и другими источниками, такими как аккрецирующие черные дыры. Допущения в моделях также могут привести к искажениям общей массы звезд в этих галактиках.

Поскольку JWST продолжает свою миссию, это поможет ученым усовершенствовать их модели и ответить на некоторые из самых фундаментальных вопросов о нашем космическом происхождении. Это должно раскрыть еще больше секретов о самых ранних днях Вселенной, включая загадку этих ярких далеких галактик.

Источник