Галактики в ранней Вселенной больше, ярче и более зрелые, чем ожидалось.
Когда Брант Робертсон увидел новое измерение расстояния до знакомой галактики, он громко рассмеялся.
Более десяти лет эта галактика была претендентом на звание самой далекой из когда-либо наблюдавшихся. В 2012 году Робертсон и его коллеги, используя данные космического телескопа "Хаббл", показали, что свет галактики освещал Вселенную примерно 13,3 млрд. Лет назад - менее чем за 400 млн. лет существования Вселенной.
Не все поверили в это. "Мы получили много критики", - вспоминает Робертсон, астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. "Казалось слишком неправдоподобным, что она находится на таком большом расстоянии". Это было похоже на то, как если бы он утверждал, что видел лохнесское чудовище".
Но в сентябре космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) направил свое массивное зеркало и чувствительный спектрограф на ту же галактику и показал, что Робертсон и его коллеги были правы. Свет галактики действительно невероятно стар, он датируется всего 390 млн. лет после Большого взрыва. Как будто кто-то осушил озеро, а чудовище сидело там на дне.
И эта галактическая Несси не одинока. За первый год наблюдений JWST обнаружил тысячи далеких галактик, относящихся к раннему периоду существования Вселенной, - гораздо больше, чем ожидали астрономы. Некоторые из этих галактик ярче, массивнее или более зрелые, чем предполагали астрономы. Теперь они ломают голову, пытаясь объяснить, как эти галактики могли так быстро вырасти.
Многие экстремальные расстояния еще предстоит подтвердить, но первые данные дают основания полагать, что многие, если не большинство, галактик действительно находятся так далеко.
"Я ожидал найти несколько галактик на таком [расстоянии]. Некоторые люди были настроены пессимистично, а я - нет", - говорит Стивен Финкельштейн, астрофизик из Техасского университета в Остине. "Но я не был столь оптимистичен. Я думал: "Да, да, мы знаем, что увидим". И я ошибался".
Далекие галактики космического телескопа "Хаббл
Для давних охотников за галактиками щедрость JWST может показаться дежавю. В 1990-х годах "Хаббл" долго и глубоко всматривался в пустой участок неба, чтобы посмотреть, что там находится. В результате были получены тысячи галактик, некоторые из которых выглядели так, как они выглядели, когда возраст Вселенной составлял всего миллиард лет.
Эти галактики выглядели зрелыми, как будто они уже прошли через множество раундов взрывов сверхновых и звездообразования. Таким образом, они не были первыми во Вселенной, поняли астрономы. Первые галактики должны существовать еще раньше.
По словам астрофизика Эрики Нельсон (Erica Nelson) из Университета Колорадо в Боулдере, поиск этих первых галактик стал одной из причин создания JWST. Причина, по которой у нас есть JWST, заключается в том, что они запустили "Хаббл" и увидели, что в ранней Вселенной все было очень развито", - говорит она. Они сказали: "Ух ты! Галактики появились гораздо раньше, чем мы думали" - даже дальше в прошлое, чем может увидеть "Хаббл".
Хаббл не был создан для того, чтобы видеть весь путь к началу Вселенной. Телескоп чувствителен к ультрафиолетовому, видимому и ближнему инфракрасному диапазонам волн. Но к тому времени, когда свет из ранней Вселенной дойдет до нас, он уже растянется до инфракрасных волн, которые длиннее, чем могут видеть глаза Хаббла (или человека). Это происходит потому, что Вселенная расширяется, и все в ней удаляется от всего остального. И когда источники света удаляются от нас, их свет растягивается - длины волн становятся длиннее, или краснее.
Величина растяжения этого света, называемая красным смещением, является для астрономов косвенным показателем космического расстояния и возраста. Современная Вселенная находится на нулевом красном смещении. Красное смещение 1 соответствует примерно 6 млрд. Лет после Большого взрыва. Красное смещение 4 соответствует примерно 1,5 млрд. Лет после Большого взрыва и т.д.
В 1995 году красное смещение 4 было самым далеким расстоянием, которое мог обнаружить "Хаббл". В течение последующих 20 лет модернизация телескопа и новые методы наблюдений отодвинули границу до красного смещения 7, что соответствует 800 млн. лет после Большого взрыва. В 2012 году галактика, которую изучал Робертсон, появилась с возможным, хотя на тот момент и неподтвержденным, красным смещением 11,9. Позже галактика под названием GN-z11 была обнаружена с красным смещением 11,1, т.е. через 400 млн лет после Большого взрыва.
Эти заманчивые открытия послужили толчком к поиску еще более далеких галактик. "Это стало своего рода игрой во внегалактической астрономии, где каждый хочет найти галактику с самым высоким красным смещением, самую далекую галактику", - заявил в апреле в Миннеаполисе на заседании Американского физического общества астрофизик Джейхан Карталтепе из Рочестерского технологического института в Нью-Йорке. "Стать новым рекордсменом, верно? Это весело".
К 2016 году, когда была обнаружена GN-z11, поиски застопорились. Астрономы выжали все возможное из существующих технологий.
"Для JWST действительно необходимо продвинуться в еще более ранние времена, - говорит Карталтепе, - которые нам нужны для понимания самых истоков формирования галактик".
Почему астрономы хотят найти ранние галактики
Стремление найти самые ранние галактики - не только повод для хвастовства. Эти галактики могут пролить свет на ключевое событие в зарождении Вселенной, называемое реионизацией.
Вначале был Большой взрыв. После этого катаклизма Вселенная продолжала расширяться и остывать. Примерно через 372 000 лет она остыла настолько, что электроны, протоны и нейтроны объединились в атомы водорода. Этот водородный газ был рассеянным и непрозрачным, в результате чего Вселенная погрузилась в то, что астрономы называют космическими темными временами.
Где-то в эти темные времена образовались первые звезды, которые начали объединяться в галактики с помощью невидимого и до сих пор загадочного вещества, известного как темная материя. Но из-за непрозрачности нейтрального водорода астрономы могут наблюдать лишь то, что Вселенная вновь стала прозрачной примерно через 200 млн. лет после Большого взрыва, когда атомы водорода потеряли свои электроны.
"Мы знаем, что существовал переход, при котором водород каким-то образом реионизировался", - говорит Робертсон. Благодаря наблюдениям с помощью "Хаббла" и других телескопов "мы считаем, что галактики с большой вероятностью являются проводниками этого процесса", - говорит он. Свет от самых молодых и массивных звезд в этих ранних галактиках мог сбить электроны с атомов в водородном газе между галактиками. "Но о том, как разворачивается этот процесс, у нас относительно мало информации, - говорит Робертсон.
JWST поможет выяснить эти подробности. Перепись галактик, существовавших в эпоху реионизации, поможет выяснить, как она началась".
Поэтому астрономы были в восторге, когда JWST был запущен на Рождество 2021 года и начал сбор данных примерно через полгода. Первые изображения были представлены с большим энтузиазмом 12 июля 2022 г. (SN: 8/13/22, с. 30). Но астрономам пришлось ждать до следующего дня, чтобы загрузить остальные данные, полученные телескопом в процессе работы.
"Мы знали, что где-то там, на каком-то компьютере, сидят наши фотоны и ждут, когда мы их увидим", - сказал Карталтепе. "Как только данные были опубликованы в июле, мы сразу же приступили к их анализу".
Астрономы просеивали изображения, как космический "Где Вальдо", вычленяя из общей массы наиболее красноватые галактики-кандидаты.
Очень далекие галактики были обнаружены быстро. В нескольких различных областях неба JWST обнаружил маленькие красные точки, соответствующие галактикам, находящимся на удивительных красных смещениях: 10, 13, даже 17. Некоторые галактики, как и ожидалось, были маленькими и тусклыми. Но другие выглядели большими и яркими, что говорит о том, что они были тяжелее, чем астрономы ожидали для таких ранних галактик.
"Эти галактики находятся на феноменальных расстояниях. Это трудно принять", - сказал Робертсон в июне в Кембридже (штат Массачусетс) на конференции "Первый свет JWST". "Но очень важно подтвердить расстояния до этих очень-очень далеких галактик, а затем узнать об их свойствах".
Подтверждена самая удаленная галактика в истории
Большинство данных о космических расстояниях до галактик, полученных с помощью JWST, пока являются предварительными оценками, основанными на данных, полученных с помощью камер телескопа. Камеры сканируют обширные участки неба и используют фильтры для пропускания света определенной длины волны. Эти фильтры позволяют астрономам оценивать "фотометрические" красные смещения.
Но чтобы точно знать, насколько далеко находится галактика, астрономам необходимо использовать спектрограф JWST. Красное смещение, рассчитанное по полному спектру света галактики, использует 1000 точек данных, в то время как фотометрическое красное смещение состоит из семи точек данных.
"Пока у нас нет спектров, ничего нельзя утверждать наверняка", - говорит Нельсон.
В рамках проекта JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, или JADES, Робертсон и его коллеги собрали спектры для четырех галактик с фотометрическими красными смещениями выше 10 - вероятно, близких к началу эпохи реионизации. Одна из этих галактик - та самая, которую Робертсон изучал в 2012 году. Расстояние до этой галактики, известной сейчас как JADES-GS-z11-0, было немного уменьшено - с 11,9 до 11,58 красного смещения. Но с помощью одной из других галактик команда установила новый рекорд для самой удаленной галактики из когда-либо подтвержденных: ее красное смещение составляет 13,2, всего 325 млн. лет после Большого взрыва.
Спектры, проанализированные группой, были достаточно подробными, чтобы выявить некоторые свойства галактик, сообщили Робертсон и его коллеги в апреле в журнале Nature Astronomy. Все они примерно в сотую долю меньше Млечного Пути по размеру и массе, но скорость образования звезд в них сопоставима - очень много звезд для таких маленьких галактик. Все эти новорожденные звезды производят большое количество ионизирующего излучения, что позволяет предположить, что эти галактики могут быть одними из самых ранних агентов реионизации, говорит Робертсон.
С тех пор JADES сообщил еще о 700 галактиках, фотометрические красные смещения которых относятся к красным смещениям 8 и более, или менее чем через 650 млн. лет после Большого взрыва, сказал Робертсон на июньской встрече First Light. Расстояния этих галактик еще предстоит подтвердить, но их количество просто поражает. "Мы действительно переживаем удивительную эпоху", - сказал Робертсон.
Доверие к измерениям JWST
Огромное скопление галактик порождает еще один вопрос: Сколько из них может находиться на таких больших расстояниях?
Потенциальная галактика-рекордсмен под названием CEERS-93316 является поучительным примером. Эта галактика была обнаружена на снимках JWST, полученных в рамках исследования Cosmic Evolution Early Release Science, или CEERS. По этим изображениям галактика находится на фотометрическом красном смещении 16,4, т.е. всего через 240 млн. лет после Большого взрыва.
"Это более высокое красное смещение, чем мы ожидали увидеть с помощью CEERS", - говорит Финкельштейн, ведущий исследователь исследования. CEERS был разработан для того, чтобы отработать использование JWST в различных режимах наблюдения и дать астрономам некоторые данные для игры, а не для установления новых рекордов.
В первой порции данных CEERS содержалось удивительное количество галактик, очевидно, высокосдвиговых. Поэтому Финкельштейн и его коллеги попросили директора Научного института космического телескопа в Балтиморе, который управляет JWST, предоставить им дополнительное время для поиска спектров CEERS-93316, а также галактики, которую Финкельштейн обнаружил с фотометрическим красным смещением около 12. Он назвал ее галактикой Мейзи в честь своей дочери, так как нашел ее в день ее девятилетия (Мейзи не возражала против того, что ее отцу пришлось работать в этот день - "я получила другие подарки на день рождения", - говорит она, хотя ей хотелось, чтобы ее галактика стала потенциальным рекордсменом).
Когда пришли спектральные данные, коллега Финкельштейна Пабло Аррабаль Харо, астрофизик из лаборатории NOIRLab Национального научного фонда, расположенной в Тусоне, работал все выходные, чтобы раньше других подготовить результаты.
Оказалось, что красное смещение CEERS-93316, равное 16,4, было ошибочным. В действительности галактика имеет красное смещение 4,9, что означает, что она образовалась через 1,2 млрд. Лет после Большого взрыва - практически современная по сравнению с некоторыми другими находками JWST.
Фотометрическое красное смещение галактики оказалось столь высоким благодаря странному совпадению. Свет, идущий от водорода в галактике, был смещен так, что на длине волны, указывающей на огромное расстояние, он выглядел как скачок яркости. Но когда был получен полный спектр, оказалось, что этот скачок представляет собой несколько отдельных пиков, что говорит о меньшем красном смещении.
Галактика Мейзи, однако, находится почти на таком же расстоянии, как и предполагаемое фотометрическое красное смещение, сообщили Аррабаль Харо и его коллеги в работе, опубликованной в марте на сайте arXiv.org. А в апрельской работе, опубликованной на сайте arXiv.org, команда сообщила о спектрах более 30 других галактик с красными смещениями примерно от 8 до 10. Таким образом, по словам Финкельштейна, фотометрические оценки красных смещений в целом надежны.
"Хотя у нас есть один примечательный случай неудачи, это патологический случай", - говорит он. Это "не катастрофа".
Это хорошая новость для графика наблюдений JWST: Астрономам не придется получать полный спектр для каждой далекой галактики. Они могут считать, что большинство красных смещений легитимны, и не тратить дополнительные усилия на получение полного спектра для действительно интересных галактик. "То, что фотометрические красные смещения, как правило, сохраняются, очень радует", - говорит Робертсон. "Это дает нам некоторую надежду на то, что некоторые из этих действительно далеких объектов могут быть реальными".
Далекие галактики, слишком яркие для объяснения
Еще одним результатом анализа, проведенного JWST, является то, что ярких галактик в районе красного смещения 10 больше, чем ожидалось. Яркость галактик является индикатором их массы, а значит, и звездного изобилия. Чем ярче галактика, тем больше у нее должно быть звезд, чтобы излучать свет.
Галактики рождаются в ореолах темной материи, гравитация которой притягивает и концентрирует обычную материю. Космологи на основе моделирования и теории знают, сколько ореолов темной материи должно было быть во Вселенной, когда образовались первые галактики. Они также имеют представление о том, насколько массивными были эти гало в первые 500 млн лет существования Вселенной и какая часть этой массы превратилась в водород и гелий - сырье для создания звезд. Теоретически, если бы весь этот газ превратился в звезды, то самая большая галактика могла бы иметь массу, примерно в 10 млрд. Раз превышающую массу Солнца.
В реальности же, по мнению исследователей, ранние галактики были гораздо менее массивными, поскольку современные галактики никогда не превращают весь свой газ в звезды.
JWST не обнаружил ни одной галактики, близкой к теоретическому верхнему пределу. Однако он обнаружил гораздо больше массивных ранних галактик, чем прогнозировалось. Подтвержденные галактики JADES имеют массу около 100 млн. солнечных масс всего через 330 млн. лет после Большого взрыва. В некоторых галактиках CEERS, по-видимому, уже через 450 млн. лет после Большого взрыва находилось более миллиарда звезд солнечной массы. Две галактики, обнаруженные в ходе другого исследования JWST под названием COSMOS-Web, имеют массу около 5 млрд. Солнечных масс уже через 350 млн. лет после Большого взрыва, сообщила астроном Кейтлин Кейси (Caitlin Casey) из Техасского университета в Остине на июньской встрече First Light.
"С помощью этих массивных маяков можно проверить, насколько быстро можно собрать такое количество материи за короткий промежуток времени между Большим взрывом и временем, в течение которого мы их наблюдаем", - говорит она.
То, что астрономы найдут в этих галактиках, может указать на то, где наше существующее понимание формирования галактик ошибочно. Или же исследователи могут обнаружить, что свет некоторых галактик исходит не непосредственно от звезд, а от ионизированного газа, находящегося между звездами и активно формирующегося, говорит Кейси. Это будет означать, что галактики на самом деле не так массивны, как кажется.
Выяснение того, как складывались ранние галактики, - это первый шаг к пониманию нашей собственной галактики, - говорит Робертсон. "В конечном счете, именно это и является движущей силой многих исследований формирования галактик - попытка понять, как появился наш дом, то, что для нас важно, то место, где мы живем", - говорит он. "Мы никогда не завершим эту полную историю, если не посмотрим, как галактики на красном смещении 10 были собраны вместе... Это отправная точка того, как мы сюда попали".
Разрыв Вселенной... или нет
Одна группа галактик вызвала споры не только о формировании галактик, но и о теоретических основах самой Вселенной.
В феврале Нельсон и его коллеги сообщили о шести галактиках, обнаруженных с помощью прибора CEERS, которые, по-видимому, выросли настолько большими и быстрыми, что напрямую опровергают стандартную теорию формирования структуры во Вселенной (SN: 3/25/23, с. 14). Эти галактики имеют фотометрические красные смещения от 7 до 9, что означает, что они выросли в первые 800 млн. лет существования Вселенной. Но их звездные массы, по-видимому, соперничают или превышают массы Млечного Пути - около 60 млрд. Солнечных масс.
Нельсон ласково называет их "разрушителями Вселенной". По ее словам, ничто столь массивное не должно было образоваться так быстро. Как только мы это увидели, мы подумали: "Это просто бананы".
По словам астрофизика Майка Бойлан-Колчина (Mike Boylan-Kolchin) из Техасского университета в Остине, считается, что в то время существовало едва ли достаточно обычной материи, чтобы создать "разрушители Вселенной". Регионы, где формировались зарождающиеся галактики, должны были превратить все свои атомы в звезды.
"У нас есть резервуар атомов, - говорит он. Почти каждый из них должен находиться в звездах или галактиках", если "разрушители Вселенной" существуют на самом деле. "Если эти наблюдения и их интерпретация верны... то их очень трудно учесть в наших нынешних моделях", - говорит он.
За последние несколько месяцев теоретики предложили несколько вариантов объяснения разрывателей Вселенной. Одним из наиболее драматичных вариантов было бы добавление в раннюю Вселенную дополнительной темной энергии - загадочной субстанции, которая заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее, - что ускорило бы всевозможные космические процессы.
"Это было бы в правильном направлении, в том смысле, что резервуары [атомов] были бы больше, и, возможно, их было бы больше в более ранние времена", - говорит Бойлан-Колчин. "Эти ранние модели темной энергии действительно предсказывают более быструю эволюцию структуры в ранние времена".
Более примитивные варианты включают в себя сверхкомпактные ранние галактики, которые могли преобразовать весь свой газ в звезды до того, как самые старые звезды успели взорваться и превратиться в сверхновые. Такое эффективное звездообразование могло бы объяснить разрушение Вселенной, не разрушая ее, считают физик Авишай Декель из Еврейского университета в Иерусалиме и его коллеги в статье, опубликованной 25 мая в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Остается открытым вопрос о том, выдержат ли массы и расстояния разрушители Вселенной. Спектр одной из них уже показал, что это галактика на красном смещении 5,6 с активно питающейся черной дырой, создающей дополнительный свет - так что это все-таки не разрушитель Вселенной.
