Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) дозволив астрономам заглянути далі в минуле, ніж будь-який інший інфрачервоний чи оптичний телескоп, бачачи інфрачервоне світло, випромінюване далекими галактиками лише через 300 мільйонів років після Великого вибуху.
З інфрачервоним телескопом ми сподівалися дізнатися більше про формування галактик та розкрити таємниці того, як надмасивні чорні діри стали такими великими. Але ми були здивовані, коли заглянули далі в минуле.
Одним із таких сюрпризів стали маленькі, яскраво-червоні точки світла, які, здавалося, були розсіяні по всьому ранньому Всесвіту, приблизно через 600-800 мільйонів років після його народження. Коли їх вперше виявили та проаналізували, астрономи вважали, що це можуть бути масивні галактики. Але це суперечило космологічним моделям, які очікують, що галактики формуються як маленькі хмари пилу та зірок, які зростають з часом.
“Відкриття, що формування масивних галактик почалося дуже рано в історії Всесвіту, руйнує те, що багато з нас вважали усталеною наукою,” – сказав Джоел Лежа, доцент астрономії та астрофізики в Пенсільванському університеті, у заяві після перших спостережень. “Ми неформально називаємо ці об’єкти ‘руйнівниками всесвіту’ – і вони виправдовують свою назву.”
Звичайно, побачивши об’єкти, які можуть перевернути наші моделі формування галактик, команда хотіла бути впевненою в тому, що вони бачать, і прагнула отримати спектральні зображення цих галактик, щоб краще зрозуміти відстань до них, їхній склад і масу. Після цього аналізу вони виявили, що ці об’єкти дійсно досить дивні у кількох аспектах.
По-перше, незважаючи на те, що цим галактикам лише 600-800 мільйонів років, вони, здається, заповнені старими зірками, які існували сотні мільйонів років. Крім дивного процесу їхнього формування, це означає, що команда спостерігала найдавніші відомі сліди старого зоряного світла.
“Ці ранні галактики були б настільки щільними зірками – зірками, які повинні були сформуватися в умовах, які ми ніколи не бачили, і в період, коли ми не очікували їх побачити,” – сказав Лежа у заяві після останніх досліджень. “І з якоїсь причини Всесвіт перестав створювати такі об’єкти через пару мільярдів років. Вони унікальні для раннього Всесвіту.”
Але ще є багато загадок для вирішення. Команда оцінює, що галактики мають дивовижно великі надмасивні чорні діри в своїх центрах, від 100 до 1,000 разів більші за Стрілець A* у центрі Чумацького Шляху. Це занадто великі для галактик, що їх оточують. Якби галактика була стиснута до розмірів Чумацького Шляху, команда зазначає, що найближча зірка була б лише трохи далі нашої Сонячної системи, а надмасивна чорна діра в центрі була б лише за 26 світлових років від Землі, видима як величезний стовп світла.
“Зазвичай надмасивні чорні діри поєднані з галактиками,” – додав Лежа. “Вони розвиваються разом і проходять через всі важливі етапи життя разом. Але тут ми маємо повністю сформовану дорослу чорну діру всередині того, що має бути дитячою галактикою. Це не має сенсу, тому що ці речі повинні рости разом, або принаймні так ми думали.”
Надмасивні чорні діри, які ми бачимо в ближчому (більш нещодавньому) Всесвіті, як підказує їх назва, досить великі. Космологи хочуть зрозуміти, як ці надмасивні чорні діри, які знаходяться в центрі більшості (але не всіх) галактик, стали такими великими.
Існує кілька теорій, включаючи злиття чорних дір і їх зростання через поглинання матеріалу. Але ці ранні чорні діри, як і інші, виявлені JWST, здаються занадто великими, щоб їх можна було пояснити цими ідеями, і набагато більшими, ніж космологи очікували порівняно з галактиками, які їх оточують.
Одна з ідей, яка, можливо, стає більш сприятливою на основі останніх спостережень, – це “прямий колапс” або чорні діри “важких насінин”. Зазвичай для отримання чорної діри зоряної маси (у нинішню епоху Всесвіту) зірка зазнає колапсу. У випадку чорних дір важких насінин ідея полягає в тому, що надмасивні чорні діри почали б з масою від 10,000 до 100,000 сонячних мас через прямий гравітаційний колапс гігантських газових хмар без проміжної зіркової фази.
Є кілька чинників, які можуть зробити цей сценарій малоймовірним. Газова хмара повинна колапсувати без утворення фрагментів і згустків, хоча астрономи припустили, що це можна запобігти, якщо хмара нагріта сусідніми молодими зірками в прегалактичних газових дисках або якщо газова хмара рухалася на надзвукових швидкостях у “потоках” раннього Всесвіту, дозволяючи їй рости довше, доки гравітація не стане достатньою для початку колапсу хмари в чорну діру-насіння.
Наразі важко точно визначити масу надмасивних чорних дір у центрах цих галактик порівняно зі зірками, що їх оточують. Плануються додаткові спостереження, зокрема спектральні дослідження протягом тривалого періоду часу, щоб отримати кращу картину.
“Це дуже заплутано,” – додав Лежа. “Можна якось пристосувати це до нашої нинішньої моделі Всесвіту, але лише якщо ми припустимо деякі екзотичні, надзвичайно швидкі процеси формування на початку часу. Це, без сумніву, найбільш дивовижний і цікавий набір об’єктів, які я бачив у своїй кар’єрі.”
