12.06.2024. - Телескоп Джеймса Уэбба переписывает учебники астрономии

Телескоп Джеймса Уэбба переписывает учебники астрономии

Когда в конце 2021 года был запущен космический телескоп Джеймса Уэбба, мы ожидали получить потрясающие снимки и выдающиеся научные результаты. До сих пор мощный космический телескоп оправдывал наши ожидания. JWST показал нам то, чего мы никогда не ожидали о ранней Вселенной. Некоторые из этих результатов заставляют переписывать учебники по астрономии. Учебники регулярно обновляются по мере того, как в ходе научного процесса появляются новые данные. Но новые данные редко поступают с такой скоростью, с какой их публикует JWST. Главы, посвященные ранней Вселенной, нуждаются в существенном обновлении. На недавнем прорывном семинаре Международного института космических наук (ISSI), который состоялся в 2024 году в Берне, Швейцария, группа ученых подвела итоги работы телескопа. Их работа подробно описана в новой статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv под названием "Первый миллиард лет, согласно JWST".

Список авторов длинный, и эти авторы сразу же отмечают, что свою роль сыграла еще большая группа международных ученых. Международное научное сообщество должно использовать наблюдения JWST и продвигать "коллективное понимание эволюции ранней Вселенной", как пишут авторы. Ранняя Вселенная является одной из основных научных целей JWST. Его инфракрасные возможности позволяют ему видеть свет от древних галактик с большей четкостью, чем у любого другого телескопа. Телескоп был разработан для непосредственного решения сложных вопросов о вселенной с высоким красным смещением. Следующие три общих вопроса являются основополагающими в космологии, которыми занимается JWST. Ранняя Вселенная и ее преобразования имеют фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной, окружающей нас сегодня. Галактики находились в зачаточном состоянии, формировались звезды, а черные дыры формировались и становились все более массивными.

Космический телескоп "Хаббл" был ограничен наблюдениями при z=11. JWST отодвинул эту границу в сторону. Его текущие наблюдения за высоким красным смещением достигли z=14,32. Астрономы полагают, что JWST в конечном итоге будет наблюдать галактики с z=20. Первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва называются космическим рассветом. JWST показал нам, что древние галактики во время Космического рассвета были намного ярче и, следовательно, крупнее, чем мы ожидали. Галактика, обнаруженная телескопом при z=14,32, называется JADES-GS-z14-0 и имеет массу в несколько сотен миллионов солнечных масс. "В связи с этим возникает вопрос: как природа могла создать такую яркую, массивную и крупную галактику менее чем за 300 миллионов лет?" - заявили ученые, участвующие в JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), в сообщении НАСА.

Это также показало нам, что они имеют другую форму, что в них содержится больше пыли, чем ожидалось, и что в них присутствует кислород. Наличие кислорода указывает на то, что поколения звезд уже жили и умерли. "Присутствие кислорода на столь раннем этапе существования этой галактики является неожиданностью и предполагает, что несколько поколений очень массивных звезд уже прожили свою жизнь до того, как мы наблюдали галактику", - написали исследователи в своем посте. "Все эти наблюдения, вместе взятые, говорят нам о том, что JADES-GS-z14-0 не похожа на те типы галактик, существование которых было предсказано теоретическими моделями и компьютерным моделированием в самой ранней Вселенной", - продолжили они. Активные ядра галактик (AGN) - это сверхмассивные черные дыры (SMBH), которые активно накапливают вещество и испускают струи и ветры. Квазары - это подтип сверхзвуковых звезд, которые отличаются высокой яркостью и расстоянием, и наблюдения за квазарами показывают, что сверхзвуковые звезды присутствовали в центрах галактик уже через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Но их происхождение оставалось загадкой.

Астрофизики полагают, что эти ранние сверхмалые звезды были созданы из "зерен" черной дыры, которые были либо "легкими", либо "тяжелыми". Легкие частицы имели массу от 10 до 100 масс Солнца и были остатками звезд. Тяжелые семена имели массу от 10 до 105 масс Солнца и образовались в результате прямого коллапса газовых облаков. Способность JWST эффективно заглядывать в прошлое позволила ему обнаружить древнюю черную дыру с массой около z =10,3, которая содержит от 107 до 108 масс Солнца. Космический телескоп "Хаббл" не позволял астрономам измерять звездную массу целых галактик так, как это делает JWST. Благодаря мощности JWST астрономы знают, что черная дыра при z=10,3 имеет примерно такую же массу, как звездная масса всей галактики. Это резко контрастирует с современными галактиками, где масса черных дыр составляет всего около 0,1% от массы звезд. Такая массивная черная дыра, существующая всего около 500 миллионов лет после Большого взрыва, является доказательством того, что ранние черные дыры возникли из тяжелых зародышей. На самом деле это соответствует теоретическим предсказаниям. Таким образом, авторы учебника теперь в состоянии устранить неопределенность.

Мы знаем, что в ранней Вселенной водород ионизировался в эпоху реионизации (EoR). Свет первых звезд, аккрецирующих черных дыр и галактик нагревал и реионизировал газообразный водород в межгалактической среде (IGM), удаляя плотный, горячий первичный туман, который заполнял раннюю Вселенную. Молодые звезды были основным источником света для реионизации. Они создали расширяющиеся пузырьки ионизированного водорода, которые перекрывали друг друга. В конце концов, пузырьки расширялись до тех пор, пока вся Вселенная не стала ионизированной. Это был критический этап в развитии Вселенной. Это позволило будущим галактикам, особенно карликовым, охладить свой газ и образовать звезды. Однако ученые не уверены в том, как черные дыры, звезды и галактики способствовали реионизации или в точных временных рамках, в которые это происходило. "Мы знаем, что произошла реионизация водорода, но когда именно и как это произошло, остается главным упущением в нашем понимании первого миллиарда лет", - пишут авторы новой статьи.

Астрономы знали, что реионизация закончилась примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва, примерно при красном смещении z=5-6. Но до JWST было трудно измерить свойства ультрафиолетового излучения, которое ее вызвало. Благодаря передовым спектроскопическим возможностям JWST астрономы сузили параметры реионизации. "Мы обнаружили спектроскопически подтвержденные галактики с z = 13,2, что означает, что реионизация, возможно, началась всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва", - пишут авторы. Результаты JWST также показывают, что аккрецирующие черные дыры и их AGN, вероятно, вносят не более 25% ультрафиолетового излучения, которое вызывает реионизацию. Эти результаты потребуют некоторого переписывания глав учебника по EOR, хотя по этому поводу все еще остаются нерешенные вопросы. "До сих пор ведутся серьезные споры о первичных источниках реионизации, в частности, о вкладе слабых галактик", - пишут авторы. Несмотря на то, что JWST необычайно мощный, некоторые отдаленные, слабые объекты находятся за пределами его досягаемости.

JWST еще не завершил и половины своей миссии, а уже изменил наши представления о первом миллиарде лет существования Вселенной. Он был создан для решения вопросов, связанных с эпохой реионизации, первыми черными дырами, первыми галактиками и звездами. Определенно, многое еще предстоит сделать. Кто знает, какова будет общая сумма его взносов? Как специалист по астрономии, я чрезвычайно благодарен всем людям, которые осуществили JWST. На его создание ушло много времени, оно обошлось намного дороже, чем ожидалось, и Конгресс едва не отменил его. Этот опасный путь к завершению заставляет меня быть еще более благодарным за то, что я освещаю его результаты. Исследователи, использующие данные JWST, также выражают свою признательность. "Мы посвящаем эту статью 20 000 человек, которые потратили десятилетия на создание JWST - невероятной машины для открытий", - пишут они.

Источник