Вчених спантеличили крихітні яскраві об′єкти, відкриті на світанку Всесвіту

Дослідження дуже червоних об′єктів, раніше виявлених у ранньому Всесвіті за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), вказує на необхідність перегляду традиційних уявлень про походження й еволюцію галактик та їхніх надмасивних чорних дір.

Про це розповідають у Пенсильванському університеті, передають OstanniPodii.com.

Міжнародна команда, використовуючи інструмент NIRSpec (Спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону) на борту JWST, виявила три загадкові об'єкти в ранньому Всесвіті, приблизно через 600-800 мільйонів років після Великого вибуху, коли Всесвіту було лише 5% від його нинішнього віку. Вони оголосили про відкриття 27 червня в Astrophysical Journal Letters.

Команда вивчала спектральні вимірювання, або інтенсивність різних довжин хвиль світла, випромінюваного об'єктами. Їхній аналіз виявив ознаки "старих" зірок, яким сотні мільйонів років, набагато старших, ніж очікувалося у молодому Всесвіті.

Дослідники кажуть, що вони також були здивовані, виявивши в тих самих об'єктах ознаки наявності величезних надмасивних чорних дір, які, за їхніми оцінками, у 100-1000 разів масивніші за надмасивну чорну діру в нашому Чумацькому Шляху. Ні те, ні інше не передбачається сучасними моделями росту галактик та утворення надмасивних чорних дір, згідно з якими галактики та їхні чорні діри зростаються разом протягом мільярдів років космічної історії.

"Ми підтвердили, що ці об'єкти, схоже, заповнені давніми зорями, яким сотні мільйонів років, у Всесвіті, якому лише 600-800 мільйонів років. Примітно, що ці об'єкти є рекордсменами за найдавнішими сигнатурами старого зоряного світла", - говорить Бінджі Ванг, докторант Пенсильванського університету, провідний автор нового дослідження.

"Було абсолютно несподівано знайти старі зорі в дуже молодому Всесвіті. Стандартні моделі космології та формування галактик були неймовірно успішними, але ці світні об'єкти не зовсім вписуються в ці теорії".

Дослідники вперше помітили масивні об'єкти у липні 2022 року, коли був опублікований початковий набір даних з JWST. Кілька місяців по тому команда опублікувала статтю в журналі Nature, в якій повідомила про існування об'єктів.

На той час дослідники підозрювали, що об'єкти є галактиками, але продовжили свій аналіз, отримавши їхні спектри, щоб краще зрозуміти справжню відстань до об'єктів, а також джерела, що живлять їхню величезну кількість світла.

Потім дослідники використали нові дані, щоб намалювати більш чітку картину того, як виглядають галактики та що знаходиться всередині них. Команда не тільки підтвердила, що ці об'єкти дійсно були галактиками на початку часів, але й знайшла докази напрочуд великих надмасивних чорних дір і напрочуд старої популяції зірок.

"Це дуже заплутано", - сказав Джоел Лея, доцент астрономії та астрофізики в Пенсильванському університеті, співавтор обох робіт.

"Все це можна з важкістю вписати в нашу поточну модель Всесвіту тільки якщо ми пригадаємо якесь екзотичне, шалено швидке утворення на початку часів. Це, без сумніву, найсвоєрідніший і найцікавіший набір об'єктів, який я бачив за свою кар'єру".

JWST оснащений інфрачервоними приладами, здатними виявляти світло, яке випромінювали найдавніші зорі та галактики. По суті, телескоп дозволяє вченим зазирнути в минуле приблизно на 13,5 мільярда років назад, до початку Всесвіту, яким ми його знаємо, сказав Лея.

Однією з проблем при аналізі давнього світла є те, що буває важко розрізнити типи об'єктів, які могли його випромінювати. У випадку цих ранніх об'єктів, вони мають чіткі характеристики як надмасивних чорних дір, так і старих зірок.

Однак, як пояснив Ванг, поки що незрозуміло, скільки спостережуваного світла походить від кожного з них - тобто це можуть бути ранні галактики, які є несподівано старими й масивнішими навіть за наш Чумацький Шлях, сформувавшись набагато раніше, ніж передбачають моделі, або ж це можуть бути галактики нормальної маси з "надмасивними" чорними дірами, приблизно в 100-1000 разів масивнішими, ніж така галактика мала б бути сьогодні.

"Розрізнити світло від матеріалу, що падає в чорну діру, і світло, випромінюване зорями в цих крихітних, далеких об'єктах, досить складно", - каже Ванг. "Неможливість розрізнити їх у поточному наборі даних залишає широкий простір для інтерпретації цих гостроцікавих об'єктів. Чесно кажучи, захопливо мати так багато таємниць, які ще належить розгадати".

Якщо частина світла дійсно походить від надмасивних чорних дір, окрім їхньої незрозумілої маси та віку, вони також не є звичайними надмасивними чорними дірами. Вони виробляють набагато більше ультрафіолетових фотонів, ніж очікувалося, а подібні об'єкти, досліджені іншими інструментами, не мають характерних ознак надмасивних чорних дір, таких як гарячий пил та яскраве рентгенівське випромінювання. Але можливо найдивовижніше, кажуть дослідники, це те, наскільки масивними вони здаються.

"Зазвичай надмасивні чорні діри знаходяться в парі з галактиками", - каже Лея. "Вони разом ростуть і разом проходять через усі свої головні життєві випробування. Але тут ми маємо повністю сформовану дорослу чорну діру, яка живе всередині того, що має бути галактикою-дитиною. Це не має жодного сенсу, тому що ці речі повинні рости разом, або принаймні ми так думали".

Дослідники також були спантеличені неймовірно малими розмірами цих систем -- лише кілька сотень світлових років у поперечнику, що приблизно в 1000 разів менше, ніж наш Чумацький Шлях. Кількість зірок приблизно така ж, як і в нашій галактиці Чумацький Шлях -- від 10 мільярдів до 1 трильйона зірок, але вони містяться в об'ємі, в 1000 разів меншому, ніж Чумацький Шлях.

Лея пояснив, що якщо взяти Чумацький Шлях і стиснути його до розмірів знайдених галактик, то найближча зоря буде майже в нашій Сонячній системі. Надмасивна чорна діра в центрі Чумацького Шляху, що знаходиться на відстані близько 26 000 світлових років від нас, була б лише на відстані 26 світлових років від Землі та була б видима в небі як гігантський стовп світла.

"Ці ранні галактики були б настільки щільно заповнені зорями -- зорями, що, мабуть, формувалися таким чином, якого ми ніколи не бачили, в умовах, яких ми ніколи не очікували, в період, в який ми ніколи не очікували їх побачити", - сказав Лея. "І з якихось причин Всесвіт перестав створювати такі об'єкти вже через пару мільярдів років. Вони унікальні для раннього Всесвіту".

Дослідники сподіваються на подальші спостереження, які, за їхніми словами, можуть допомогти пояснити деякі таємниці цих об'єктів. Вони планують отримати глибші спектри, спрямовуючи телескоп на об'єкти на тривалий час, що допоможе розрізнити випромінювання від зірок і потенційної надмасивної чорної діри, визначивши специфічні сигнатури поглинання, які були б присутні в кожному з них.

"Є ще один спосіб, яким ми можемо зробити прорив, і це дуже правильна ідея", - каже Лея. "У нас є всі ці шматочки пазла, і вони підходять один до одного лише тоді, коли ми ігноруємо той факт, що деякі з них ламаються. Ця проблема піддається геніальному вирішенню, яке досі вислизало від нас, усіх наших співробітників і всієї наукової спільноти".

• телескоп Вебба
• Галактики