Телескоп Джеймс Уэбб заглянул в начало Вселенной. Астрофизики до сих пор не могут объяснить то, что там увидели
Космический телескоп Джеймс Уэбб заглянул в раннюю Вселенную и показал астрономам картину, которая плохо совпадает с прежними расчетами. В первые сотни миллионов лет после Большого взрыва там уже существовали массивные дыры, яркие галактики и загадочные маленькие красные точки, которых до запуска телескопа никто не видел. Теперь ученые проверяют сразу несколько объяснений, но полной версии рождения первых галактик и черных дыр пока нет.
Маленькие красные точки стали одной из главных загадок Джеймса Уэбба. Телескоп нашел уже сотни подобных объектов в снимках ранней Вселенной. По текущим оценкам, они начали часто появляться примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва. Название описывает вид этих источников на снимках: компактные красноватые пятна света на огромном расстоянии от нас.
Одна из рабочих гипотез связывает маленькие красные точки с черными дырами, скрытыми внутри плотных газовых оболочек. Газ вокруг черной дыры может нагреваться и светиться почти как звездная атмосфера. Поэтому ученые обсуждают необычный тип объекта, который в русскоязычных материалах лучше описывать не отдельным термином, а через устройство: черная дыра внутри плотного светящегося газового кокона.
Проверить эту модель помогает спектр, то есть свет, разложенный на отдельные длины волн. Если излучение проходит через плотный газ, часть света должна измениться. Газ поглощает и переизлучает фотоны, оставляя в спектре характерные следы. При анализе одной маленькой красной точки ожидаемого сигнала не нашли. Простая схема с ровной газовой оболочкой плохо объясняет наблюдения. Более правдоподобная версия допускает сгустки и просветы в газе: часть света проходит через плотные участки, а часть выходит наружу почти без изменений.
Другая проблема связана с древними сверхмассивными черными дырами. Джеймс Уэбб находит объекты, которые уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва набрали массу в миллионы и миллиарды Солнц. Для современной астрофизики это трудная задача. Размер черной дыры зависит от двух факторов: начальной массы и скорости поглощения вещества. Обычные механизмы дают слишком мало времени для роста до наблюдаемых размеров.
В современной Вселенной черные дыры часто рождаются после гибели массивных звезд. Когда ядро звезды вырабатывает топливо, оно сжимается и коллапсирует. Первые звезды могли быть очень массивными и оставлять после себя черные дыры примерно до ста солнечных масс. Но даже такой старт плохо объясняет появление объектов массой в миллиард Солнц за короткий срок.
Рост черной дыры ограничивает предел Эддингтона. Вещество не падает внутрь напрямую, а закручивается в раскаленный аккреционный диск. Диск испускает излучение, излучение давит на окружающий газ и мешает новой порции вещества падать к черной дыре. Чем быстрее черная дыра питается, тем сильнее этот обратный напор. Поэтому обычная аккреция не позволяет быстро увеличить массу в десятки миллионов раз.
Численные модели показывают обходной путь. Если аккреционный диск сильно раздувается, поток газа может пробить давление излучения. Такой режим называют сверхэддингтоновской аккрецией. В этом случае черная дыра поглощает вещество намного быстрее обычного предела. Наблюдения уже дали пример: в 2024 году Джеймс Уэбб зафиксировал черную дыру примерно через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, которая поглощала вещество примерно в 40 раз быстрее предела Эддингтона.
Даже сверхбыстрое питание не закрывает вопрос полностью. Ранней Вселенной могло не хватать газа для самых массивных черных дыр. Поэтому ученые рассматривают еще один путь: древние скопления могли создавать много черных дыр, а затем эти объекты быстро сливались. Другая версия идет дальше и предполагает, что сверхмассивные черные дыры не обязательно начинались со звездных остатков.
Механизм прямого коллапса описывает рождение черной дыры сразу из огромного газового облака. В этом случае начальное семя получает массу примерно в десять тысяч Солнц. Но процесс требует редкого сочетания условий. Облако должно сжаться целиком, не распавшись на меньшие облака, из которых родились бы звезды. Нужен подходящий химический состав газа и медленное вращение. В симуляциях такие черные дыры получить удается, но их выходит слишком мало для объяснения всех объектов, найденных телескопом.
Наблюдения поддерживают сразу несколько версий. Одна из маленьких красных точек, существовавшая примерно через 750 миллионов лет после Большого взрыва, может быть почти голой сверхмассивной черной дырой массой около 50 миллионов Солнц. Вокруг нее не нашли заметного звездного окружения. Если оценка массы верна, черная дыра могла появиться как крупное начальное семя, возможно через прямой коллапс, еще до рождения полноценной галактики.
Первые галактики тоже оказались сложнее прежних моделей. Примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва темная материя собиралась в крупные гало. Их гравитация стягивала водород и гелий в длинные газовые нити. Газ накапливался в центральных областях, давление росло, запускались термоядерные реакции, загорались первые звезды. Затем звездные скопления объединялись в ранние галактики.
Возраст таких объектов астрономы описывают через красное смещение. Чем дольше свет летит через расширяющуюся Вселенную, тем сильнее растягивается его длина волны и тем краснее выглядит излучение. По моделям, примерно через 270 миллионов лет после Большого взрыва газ начинает активно течь вдоль космических нитей. Примерно через 420 миллионов лет резко ускоряется рождение звезд. Около 550 миллионов лет после Большого взрыва модели уже дают сформировавшиеся галактики.
Но Джеймс Уэбб нашел галактики еще более раннего времени. Самая древняя из известных на момент публикации материала существовала примерно через 280 миллионов лет после Большого взрыва. Первые яркие и многочисленные галактики заставили ученых проверять даже фундаментальные космологические модели. После нескольких лет работы появился набор менее радикальных объяснений. Газ мог превращаться в звезды быстрее, чем считали раньше. Рождение звезд могло идти мощными всплесками. Ранние области звездообразования могли чаще производить особенно массивные и яркие звезды.
Проверка идет через сравнение наблюдений с симуляциями. Компьютерная модель хранит историю виртуальной галактики целиком: когда в нее поступал газ, когда рождались звезды, когда взрывы сверхновых выбрасывали вещество наружу. Если модельная галактика похожа на объект, увиденный телескопом, исследователи могут восстановить вероятную последовательность событий, которая привела к наблюдаемой яркости и химическому составу.
Прибор MIRI на Джеймсе Уэббе работает в среднем инфракрасном диапазоне и добавил важную деталь. Ранние галактики не похожи друг на друга настолько, как ожидали ученые. В одних почти нет межзвездного газа и пыли, поэтому телескоп видит главным образом звезды. В других газа много. Такая разница хорошо подходит к модели прерывистого звездообразования: звезды рождаются всплеском, самые массивные быстро взрываются сверхновыми, выбрасывают газ из галактики, затем вещество снова собирается и запускает новую волну рождения звезд.
Еще одна подсказка связана с азотом ранних галактик. В некоторых ранних галактиках нашли избыток этого элемента. В симуляциях похожая химическая картина возникает, когда молодая Вселенная производит много особенно массивных звезд. Перед взрывом сверхновой такие звезды создают лишний азот, а затем выбрасывают его в окружающую галактику. Поэтому химический состав древних объектов помогает понять, какие звезды зажигались первыми и как быстро они меняли межзвездную среду.
После появления первых звезд и черных дыр Вселенная прошла эпоху реионизации. До этого пространство заполнял нейтральный водород, который создавал плотную космическую дымку. Излучение первых галактик и черных дыр постепенно выбивало электроны из атомов водорода и прорезало в этой среде огромные ионизованные области. Так завершились космические темные века. Первые звезды при этом создали и рассеяли элементы тяжелее водорода и гелия: углерод, азот, кислород, фосфор, железо. Позднее из этого вещества сформировались планеты и химическая основа жизни.
Джеймс Уэбб не разрушил астрофизику, но заставил уточнять ее самые ранние главы. Маленькие красные точки, древние черные дыры и яркие галактики указывают на процессы, которые шли быстрее и разнообразнее, чем предполагали прежние модели. Следующий шаг для исследователей — сопоставить новые спектры, химический состав галактик и симуляции, чтобы отделить редкие экзотические объекты от обычных этапов рождения Вселенной.