Ученых озадачили крошечные яркие объекты, открытые на рассвете Вселенной

Исследование очень красных объектов, ранее обнаруженных в ранней Вселенной с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), указывает на необходимость пересмотра традиционных представлений о происхождении и эволюции галактик и их сверхмассивных черных дыр.

Об этом рассказывают в Пенсильванском университете, передают OstanniPodii.com.

Международная команда, используя инструмент NIRSpec (Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) на борту JWST, обнаружила три загадочных объекта в ранней Вселенной, примерно через 600-800 миллионов лет после Большого взрыва, когда Вселенной было лишь 5% от ее нынешнего возраста. Они объявили об открытии 27 июня в Astrophysical Journal Letters.

Команда изучала спектральные измерения, или интенсивность различных длин волн света, излучаемого объектами. Их анализ выявил признаки "старых" звезд, которым сотни миллионов лет, намного старше, чем ожидалось в молодой Вселенной.

Исследователи говорят, что они также были удивлены, обнаружив в тех же объектах признаки наличия огромных сверхмассивных черных дыр, которые, по их оценкам, в 100-1000 раз массивнее сверхмассивной черной дыры в нашем Млечном Пути. Ни то, ни другое не предполагается современными моделями роста галактик и образования сверхмассивных черных дыр, согласно которым галактики и их черные дыры растут вместе в течение миллиардов лет космической истории.

"Мы подтвердили, что эти объекты, похоже, заполнены древними звездами, которым сотни миллионов лет, во Вселенной, которой всего 600-800 миллионов лет. Примечательно, что эти объекты являются рекордсменами по самым древним сигнатурам старого звездного света", - говорит Бинджи Ванг, докторант Пенсильванского университета, ведущий автор нового исследования.

"Было совершенно неожиданно найти старые звезды в очень молодой Вселенной. Стандартные модели космологии и формирования галактик были невероятно успешными, но эти светящиеся объекты не совсем вписываются в эти теории".

Исследователи впервые заметили массивные объекты в июле 2022 года, когда был опубликован начальный набор данных с JWST. Несколько месяцев спустя команда опубликовала статью в журнале Nature, в которой сообщила о существовании объектов.

К тому времени исследователи подозревали, что объекты являются галактиками, но продолжили свой анализ, получив их спектры, чтобы лучше понять истинное расстояние до объектов, а также источники, питающие их огромное количество света.

Затем исследователи использовали новые данные, чтобы нарисовать более четкую картину того, как выглядят галактики и что находится внутри них. Команда не только подтвердила, что эти объекты действительно были галактиками в начале времен, но и нашла доказательства удивительно больших сверхмассивных черных дыр и удивительно старой популяции звезд.

"Это очень запутанно", - сказал Джоэл Лея, доцент астрономии и астрофизики в Пенсильванском университете, соавтор обеих работ.

"Все это можно с трудом вписать в нашу текущую модель Вселенной только если мы вспомним какое-то экзотическое, безумно быстрое образование в начале времен. Это, без сомнения, самый своеобразный и самый интересный набор объектов, который я видел за свою карьеру".

JWST оснащен инфракрасными приборами, способными обнаруживать свет, который излучали древнейшие звезды и галактики. По сути, телескоп позволяет ученым заглянуть в прошлое примерно на 13,5 миллиарда лет назад, до начала Вселенной, какой мы ее знаем, сказал Лея.

Одной из проблем при анализе древнего света является то, что бывает трудно различить типы объектов, которые могли его излучать. В случае этих ранних объектов, они имеют четкие характеристики как сверхмассивных черных дыр, так и старых звезд.

Однако, как пояснил Ванг, пока непонятно, сколько наблюдаемого света происходит от каждого из них - то есть это могут быть ранние галактики, которые являются неожиданно старыми и массивнее даже нашего Млечного Пути, сформировавшись гораздо раньше, чем предполагают модели, или же это могут быть галактики нормальной массы со "сверхмассивными" черными дырами, примерно в 100-1000 раз массивнее, чем такая галактика должна была бы быть сегодня.

"Различить свет от материала, падающего в черную дыру, и свет, излучаемый звездами в этих крошечных, далеких объектах, довольно сложно", - говорит Ванг. "Невозможность различить их в текущем наборе данных оставляет широкий простор для интерпретации этих остроинтересных объектов. Честно говоря, захватывающе иметь так много тайн, которые еще предстоит разгадать".

Если часть света действительно происходит от сверхмассивных черных дыр, кроме их непонятной массы и возраста, они также не являются обычными сверхмассивными черными дырами. Они производят гораздо больше ультрафиолетовых фотонов, чем ожидалось, а подобные объекты, исследованные другими инструментами, не имеют характерных признаков сверхмассивных черных дыр, таких как горячая пыль и яркое рентгеновское излучение. Но возможно самое удивительное, говорят исследователи, это то, насколько массивными они кажутся.

"Обычно сверхмассивные черные дыры находятся в паре с галактиками", - говорит Лея. "Они вместе растут и вместе проходят через все свои главные жизненные испытания. Но здесь мы имеем полностью сформированную взрослую черную дыру, которая живет внутри того, что должно быть галактикой-ребенком. Это не имеет никакого смысла, потому что эти вещи должны расти вместе, или по крайней мере мы так думали".

Исследователи также были озадачены невероятно малыми размерами этих систем -- всего несколько сотен световых лет в поперечнике, что примерно в 1000 раз меньше, чем наш Млечный Путь. Количество звезд примерно такое же, как и в нашей галактике Млечный Путь -- от 10 миллиардов до 1 триллиона звезд, но они содержатся в объеме, в 1000 раз меньшем, чем Млечный Путь.

Лея объяснил, что если взять Млечный Путь и сжать его до размеров найденных галактик, то ближайшая звезда будет почти в нашей Солнечной системе. Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, находящаяся на расстоянии около 26 000 световых лет от нас, была бы только на расстоянии 26 световых лет от Земли и была бы видна в небе как гигантский столб света.

"Эти ранние галактики были бы настолько плотно заполнены звездами -- звездами, которые, по-видимому, формировались таким образом, которого мы никогда не видели, в условиях, которых мы никогда не ожидали, в период, в который мы никогда не ожидали их увидеть", - сказал Лея. "И по каким-то причинам Вселенная перестала создавать такие объекты уже через пару миллиардов лет. Они уникальны для ранней Вселенной".

Исследователи надеются на дальнейшие наблюдения, которые, по их словам, могут помочь объяснить некоторые тайны этих объектов. Они планируют получить более глубокие спектры, направляя телескоп на объекты на длительное время, что поможет различить излучение от звезд и потенциальной сверхмассивной черной дыры, определив специфические сигнатуры поглощения, которые присутствовали бы в каждом из них.

"Есть еще один способ, которым мы можем совершить прорыв, и это очень правильная идея", - говорит Лея. "У нас есть все эти кусочки пазла, и они подходят друг к другу только тогда, когда мы игнорируем тот факт, что некоторые из них ломаются. Эта проблема поддается гениальному решению, которое до сих пор ускользало от нас, всех наших сотрудников и всего научного сообщества".