Стандартная модель космологии пережила удивительные находки телескопа

Предполагалось, что трещины в космологии появятся через некоторое время. Но когда прошлой весной космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) открыл свой объектив, в поле зрения телескопа сразу же попали чрезвычайно далекие, но очень яркие галактики. «Они были такими глупо яркими, и они просто выделялись», — сказал Рохан Найду, астроном из Массачусетского технологического института.

Видимое расстояние галактик от Земли позволяет предположить, что они образовались намного раньше в истории Вселенной, чем кто-либо предполагал. (Чем дальше что-то находится, тем раньше вспыхнул его свет.) Сомнения закружились, но в декабре астрономы подтвердили, что некоторые из галактик действительно так далеки и, следовательно, так же первобытны, как кажутся. Самая ранняя из этих подтвержденных галактик пролила свой свет через 330 миллионов лет после Большого взрыва, что сделало ее новым рекордсменом самой ранней известной структуры во Вселенной. Эта галактика была довольно тусклой, но другие кандидаты, слабо привязанные к тому же периоду времени, уже ярко сияли, а это означало, что они были потенциально огромными.

Как звезды могли загореться внутри перегретых газовых облаков так скоро после Большого взрыва? Как они могли поспешно вплести себя в такие огромные гравитационно связанные структуры? Обнаружение таких больших, ярких, ранних галактик похоже на обнаружение окаменелого кролика в докембрийских слоях. «В ранние времена больших дел не бывает. Нужно время, чтобы добраться до больших вещей», — сказал Майк Бойлан-Колчин, физик-теоретик Техасского университета в Остине.

Астрономы начали задаваться вопросом, противоречит ли обилие ранних крупных объектов нынешнему пониманию космоса. Некоторые исследователи и средства массовой информации утверждали, что наблюдения телескопа нарушают стандартную космологическую модель — хорошо проверенный набор уравнений, называемый моделью лямбда-холодной темной материи, или ΛCDM, — захватывающе указывая на новые космические ингредиенты или управляющие законы. Однако с тех пор стало ясно, что модель ΛCDM устойчива. Вместо того, чтобы заставлять исследователей переписывать правила космологии, результаты JWST заставляют астрономов переосмыслить то, как создаются галактики, особенно в космическом начале. Телескоп еще не сломал космологию, но это не значит, что случай со слишком ранними галактиками окажется совсем не эпохальным.

Более простые времена

Чтобы понять, почему обнаружение очень ранних ярких галактик вызывает удивление, нужно понять, что космологи знают — или думают, что знают — о Вселенной.

После Большого взрыва младенческая Вселенная начала остывать. За несколько миллионов лет бурлящая плазма, заполнявшая космос, успокоилась, а электроны, протоны и нейтроны объединились в атомы, в основном нейтральный водород. Все было тихо и темно в течение периода неопределенной продолжительности, известного как космические темные века. Затем что-то произошло.

Большая часть материала, который разлетелся после Большого Взрыва, состоит из чего-то, что мы не можем видеть, называемого темной материей. Она оказала мощное влияние на космос, особенно поначалу. В стандартной картине холодная темная материя (термин, означающий невидимые, медленно движущиеся частицы) беспорядочно разбрасывалась по космосу. В некоторых районах его распространение было более плотным, и в этих районах он начал разрушаться на глыбы. Видимая материя, то есть атомы, сгруппированы вокруг сгустков темной материи. Когда атомы также остыли, они в конце концов сконденсировались, и родились первые звезды. Эти новые источники излучения перезаряжали нейтральный водород, наполнявший Вселенную в так называемую эпоху реионизации. Благодаря гравитации вырастали более крупные и сложные структуры, образуя обширную космическую паутину галактик.

Тем временем все продолжало разлетаться. Астроном Эдвин Хаббл в 1920-х годах выяснил, что Вселенная расширяется, а в конце 1990-х его тезка, космический телескоп Хаббла, обнаружил доказательства того, что расширение ускоряется. Думайте о Вселенной как о буханке хлеба с изюмом. Он начинается как смесь муки, воды, дрожжей и изюма. Когда вы соедините эти ингредиенты, дрожжи начнут дышать, и буханка начнет подниматься. Изюминки внутри него — заменители галактик — тянутся все дальше друг от друга по мере того, как буханка расширяется.

Телескоп Хаббл увидел, что буханка поднимается все быстрее. Изюм разлетается со скоростью, которая не поддается их гравитационному притяжению. Это ускорение, по-видимому, вызвано отталкивающей энергией самого пространства — так называемой темной энергией, которая представлена ​​греческой буквой Λ (произносится как «лямбда»). Подставьте значения Λ, холодной темной материи, обычной материи и излучения в уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна, и вы получите модель эволюции Вселенной. Эта модель «лямбда-холодной темной материи» (ΛCDM) соответствует почти всем наблюдениям космоса.

Один из способов проверить эту картину — посмотреть на очень далекие галактики, что эквивалентно тому, чтобы оглянуться назад во времени на первые несколько сотен миллионов лет после колоссального хлопка, с которого все началось. Тогда космос был проще, его эволюцию было легче сравнивать с предсказаниями.

Астрономы впервые попытались увидеть самые ранние структуры Вселенной с помощью телескопа «Хаббл» в 1995 году. За 10 дней «Хаббл» сделал 342 кадра выглядящего пустым участка космоса в Большой Медведице. Астрономы были поражены изобилием, скрывающимся в кромешной тьме: Хаббл мог видеть тысячи галактик на разных расстояниях и стадиях развития, уходящих в гораздо более ранние времена, чем кто-либо ожидал. Хаббл продолжил находить несколько чрезвычайно далеких галактик — в 2016 году астрономы нашел самый дальний, названный GN-z11, слабое пятно, которое они датировали 400 миллионами лет после Большого взрыва.

Это было удивительно рано для галактики, но это не поставило под сомнение модель ΛCDM отчасти потому, что галактика крошечная, с массой всего 1% от массы Млечного Пути, а отчасти потому, что она стояла одна. Астрономам нужен был более мощный телескоп, чтобы увидеть, была ли GN-z11 чудаком или частью большей популяции загадочно ранних галактик, что могло бы помочь определить, не упускаем ли мы ключевую часть рецепта ΛCDM.

необъяснимо далекий

Этот космический телескоп следующего поколения, названный в честь бывшего руководителя НАСА Джеймса Уэбба, запущен в Рождество 2021 г.. Как только JWST был откалиброван, свет от ранних галактик попал на его чувствительную электронику. Астрономы опубликовали множество статей, описывающих то, что они видели.

Исследователи используют версию эффекта Доплера для измерения расстояния до объектов. Это похоже на определение местоположения машины скорой помощи на основе ее сирены: сирена звучит выше по мере приближения и ниже по мере удаления. Чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется от нас, поэтому ее свет простирается в сторону более длинных волн и кажется краснее. Величина этого «красного смещения» выражается как z, где заданное значение для z говорит вам, как долго должен пройти свет объекта, чтобы достичь нас.

Одна из первых бумаг на данные JWST поступили от Найду, астронома Массачусетского технологического института, и его коллег, чей алгоритм поиска пометил галактику, которая казалась необъяснимо яркой и необъяснимо далекой. Найду назвал его GLASS-z13, указывая на его видимое расстояние при красном смещении 13 — дальше, чем что-либо виденное ранее. (Позже красное смещение галактики было уменьшено до 12.4, и она была переименована в GLASS-z12.) Другие астрономы, работавшие над различными наборами наблюдений JWST, сообщали о значениях красного смещения от 11 до 20, включая одна галактика под названием CEERS-1749 или CR2-z17-1, чей свет, по-видимому, покинул ее 13.7 миллиарда лет назад, всего через 220 миллионов лет после Большого взрыва — всего лишь мгновение ока после начала космического времени.

Эти предполагаемые обнаружения предполагали, что аккуратная история, известная как ΛCDM, может быть неполной. Каким-то образом галактики сразу стали огромными. «В ранней Вселенной вы не ожидаете увидеть массивные галактики. У них не было времени сформировать столько звезд, и они не слились воедино», — сказал Крис Ловелл, астрофизик из Портсмутского университета в Англии. Действительно, в исследовании опубликованный в ноябре, исследователи проанализировали компьютерные симуляции вселенных, управляемых моделью ΛCDM, и обнаружили, что ранние яркие галактики JWST были на порядок тяжелее, чем те, которые сформировались одновременно в симуляциях.

Некоторые астрономы и средства массовой информации утверждали, что JWST разрушает космологию, но не все были в этом убеждены. Одна из проблем заключается в том, что предсказания ΛCDM не всегда точны. В то время как темная материя и темная энергия просты, видимая материя имеет сложные взаимодействия и поведение, и никто точно не знает, что произошло в первые годы после Большого взрыва; эти лихорадочные ранние времена должны быть приближены к компьютерному моделированию. Другая проблема заключается в том, что трудно точно сказать, как далеко находятся галактики.

За несколько месяцев, прошедших после появления первых статей, был пересмотрен возраст некоторых предполагаемых галактик с большим красным смещением. Некоторые были пониженный к более поздним стадиям космической эволюции из-за обновленных калибровок телескопа. CEERS-1749 находится в области неба, содержащей скопление галактик, чей свет излучался 12.4 миллиарда лет назад, и Найду говорит, что, возможно, галактика на самом деле является частью этого скопления — более близкого вторжения, которое может быть заполнено пылью, из-за которой это кажется более красным смещением, чем это. По словам Найду, CEERS-1749 выглядит странно, как бы далеко он ни находился. «Это будет галактика нового типа, о которой мы не знали: крошечная галактика с очень малой массой, в которой каким-то образом накопилось много пыли, чего мы традиционно не ожидаем», — сказал он. «Могут быть просто эти новые типы объектов, которые мешают нашим поискам очень далеких галактик».

Лиманский прорыв

Все знали, что для наиболее точной оценки расстояния потребуются самые мощные возможности JWST.

JWST наблюдает за звездным светом не только с помощью фотометрии или измерения яркости, но и с помощью спектроскопии или измерения длины волны света. Если фотометрическое наблюдение похоже на изображение лица в толпе, то спектроскопическое наблюдение похоже на тест ДНК, который может рассказать семейную историю человека. Найду и другие, обнаружившие большие ранние галактики, измерили красное смещение, используя измерения, полученные по яркости — по сути, глядя на лица в толпе, используя действительно хорошую камеру. Этот метод далеко не герметичен. (На январском собрании Американского астрономического общества астрономы пошутили, что, возможно, половина ранних галактик, наблюдаемых только с помощью фотометрии, окажется точно измеренной.)

Но в начале декабря космологи объявило что они объединили оба метода для четырех галактик. Команда JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) искала галактики, чей спектр инфракрасного света резко обрывается на критической длине волны, известной как разрыв Лаймана. Этот разрыв происходит потому, что водород, плавающий в пространстве между галактиками, поглощает свет. Из-за продолжающегося расширения Вселенной — постоянно поднимающейся буханки изюма — свет далеких галактик смещается, поэтому смещается и длина волны этого резкого разрыва. Когда кажется, что свет галактики падает на более длинных волнах, она находится дальше. JADES идентифицировал спектры с красным смещением до 13.2, что означает, что свет галактики излучался 13.4 миллиарда лет назад.

Как только данные были отправлены, исследователи JADES начали «сходить с ума» в общей группе Slack. Кевин Хейнлайн, астроном из Аризонского университета. «Это было похоже на «Боже мой, о мой Бог, мы сделали это, мы сделали это, мы сделали это!», — сказал он. «Эти спектры — только начало того, что, как я думаю, изменит астрономию».

Брант Робертсон, астроном JADES из Калифорнийского университета в Санта-Круз, говорит, что результаты показывают, что ранняя Вселенная быстро менялась в течение первого миллиарда лет своего существования, а галактики развивались в 10 раз быстрее, чем сегодня. Это похоже на то, как «колибри — маленькое существо, — сказал он, — но его сердце бьется так быстро, что он живет совсем другой жизнью, чем другие существа. Сердцебиение этих галактик происходит в гораздо более быстрой временной шкале, чем что-то размером с Млечный Путь».

Но были ли их сердца биться слишком быстро, чтобы ΛCDM мог это объяснить?

Теоретические возможности

Пока астрономы и общественность смотрели на изображения JWST, исследователи начали работать за кулисами, чтобы определить, действительно ли галактики, мелькающие в нашем поле зрения, переворачивают с ног на голову ΛCDM или просто помогают определить числа, которые мы должны подставить в его уравнения.

Одно важное, но плохо изученное число касается массы самых ранних галактик. Космологи пытаются определить их массы, чтобы определить, соответствуют ли они предсказанному ΛCDM графику роста галактик.

Масса галактики определяется ее яркостью. Но Меган Донахью, астрофизик из Мичиганского государственного университета, говорит, что в лучшем случае взаимосвязь между массой и яркостью является обоснованной догадкой, основанной на предположениях, полученных по известным звездам и хорошо изученным галактикам.

Одно из ключевых предположений состоит в том, что звезды всегда формируются в пределах определенного статистического диапазона масс, называемого начальной функцией масс (IMF). Этот параметр IMF имеет решающее значение для определения массы галактики из измерений ее яркости, потому что горячие, голубые, тяжелые звезды производят больше света, в то время как большая часть массы галактики обычно заключена в холодных, красных, маленьких звездах.

Но возможно, что в ранней Вселенной IMF был другим. Если это так, ранние галактики JWST могут быть не такими тяжелыми, как предполагает их яркость; они могут быть яркими, но легкими. Эта возможность вызывает головную боль, потому что изменение этого базового входа в модель ΛCDM может дать вам практически любой ответ, который вы хотите. Ловелл говорит, что некоторые астрономы считают возню с МВФ «сферой нечестивцев».

«Если мы не понимаем начальную функцию массы, то понимание галактик с большим красным смещением будет действительно сложной задачей», — сказал он. Венди Фридман, астрофизик из Чикагского университета. Ее команда работает над наблюдениями и компьютерным моделированием, которые помогут определить IMF в различных условиях.

В течение осени многие эксперты подозревали, что корректировки IMF и других факторов может быть достаточно, чтобы совместить очень древние галактики, освещаемые инструментами JWST с помощью ΛCDM. «Я думаю, что на самом деле более вероятно, что мы сможем разместить эти наблюдения в рамках стандартной парадигмы», — сказал Рэйчел Сомервилль, астрофизик из Института Флэтайрона (который, как и Quanta Magazine, финансируется Фондом Саймонса). В этом случае, сказала она, «мы узнаем следующее: как быстро ореолы [темной материи] могут собирать газ? Как быстро мы сможем заставить газ остыть, стать плотным и создать звезды? Возможно, в ранней Вселенной это происходит быстрее; может быть, газ плотнее; может как-то быстрее течет. Я думаю, что мы все еще изучаем эти процессы».

Somerville также изучает возможность того, что черные дыры вмешивались в детский космос. Астрономы заметил несколько светящихся сверхмассивных черных дыр с красным смещением 6 или 7 примерно через миллиард лет после Большого взрыва. Трудно себе представить, как к тому времени звезды могли образоваться, умереть, а затем схлопнуться в черные дыры, которые съели все вокруг и начали извергать радиацию.

Но если внутри предполагаемых ранних галактик есть черные дыры, это может объяснить, почему галактики кажутся такими яркими, даже если на самом деле они не очень массивны, сказал Сомервилл.

Подтверждение того, что ΛCDM может вместить по крайней мере некоторые из ранних галактик JWST, пришло за день до Рождества. Астрономы под руководством Бенджамин Келлер в университете Мемфиса проверил несколько крупных суперкомпьютерных симуляций вселенных ΛCDM и обнаружили, что симуляции могут создавать галактики столь же тяжелые, как четыре, которые были спектроскопически изучены командой JADES. (Примечательно, что эти четыре галактики меньше и тусклее, чем другие предполагаемые ранние галактики, такие как GLASS-z12.) В анализе команды все симуляции дали галактики размером с данные JADES с красным смещением 10. Одна симуляция могла бы создать такие галактики. с красным смещением 13, таким же, как то, что видел ДЖЕЙДС, а две другие могли построить галактики с еще большим красным смещением. Ни одна из галактик JADES не противоречила текущей парадигме ΛCDM, сообщили Келлер и его коллеги на сервере препринтов arxiv.org 24 декабря.

Хотя им не хватает веса, чтобы разрушить преобладающую космологическую модель, галактики JADES обладают другими особыми характеристиками. Хейнлайн сказал, что их звезды кажутся незагрязненными металлами от ранее взорвавшихся звезд. Это может означать, что они являются звездами населения III — жадно разыскиваемого первого поколения звезд, которые когда-либо зажигались — и что они могут способствовать реионизации Вселенной. Если это правда, то JWST уже заглянула в таинственный период, когда Вселенная шла своим нынешним курсом.

Чрезвычайное свидетельство

 Спектроскопическое подтверждение дополнительных ранних галактик может появиться этой весной, в зависимости от того, как разделит ситуацию комитет по распределению времени JWST. Кампания наблюдения под названием WDEEP будет специально искать галактики менее чем через 300 миллионов лет после Большого взрыва. По мере того, как исследователи подтвердят расстояние до большего количества галактик и станут лучше оценивать их массы, они помогут решить судьбу ΛCDM.

Уже ведутся многие другие наблюдения, которые могут изменить картину для ΛCDM. Фридман, изучающая начальную функцию масс, однажды ночью встала в час ночи и загрузила данные JWST о переменных звездах, которые она использует в качестве «стандартных свечей» для измерения расстояний и возрастов. Эти измерения могут помочь устранить еще одну потенциальную проблему с ΛCDM, известную как натяжение Хаббла. Проблема в том, что в настоящее время Вселенная расширяется быстрее, чем предсказывает ΛCDM для Вселенной возрастом 1 миллиарда лет. У космологов есть множество возможных объяснений. Возможно, предполагают некоторые космологи, плотность темной энергии, ускоряющей расширение Вселенной, не постоянна, как в ΛCDM, а меняется со временем. Изменение истории расширения Вселенной может не только устранить хаббловское напряжение, но и пересмотреть расчеты возраста Вселенной при данном красном смещении. JWST может видеть раннюю галактику такой, какой она появилась, скажем, через 13.8 миллионов лет после Большого взрыва, а не через 500 миллионов. Тогда даже у самых тяжелых предполагаемых ранних галактик в зеркалах JWST было бы достаточно времени, чтобы слиться, говорит Сомервилл.

У астрономов заканчиваются превосходные степени, когда они говорят о ранних результатах JWST по галактикам. Они приправляют свои разговоры смехом, ругательствами и восклицаниями, даже напоминая себе изречение Карла Сагана, хотя и заезженное, о том, что экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств. Им не терпится получить больше изображений и спектров, которые помогут им отточить или настроить свои модели. «Это лучшие задачи, — сказал Бойлан-Колчин, — потому что независимо от того, что вы получите, ответ будет интересен».