Телескоп Вебба зняв «всесвіт, якого не повинно існувати»: чорні діри надзвичайно великі, галактики підозріло яскраві, теорія Великого вибуху помилкова?

Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) продовжує фіксувати явища раннього Всесвіту, які не можна пояснити теорією: надто швидко зростаючі чорні діри, надто яскраві стародавні галактики та сотні таємничих об'єктів «червоних цяток», яких ніколи раніше не бачили.
(Передісторія: 9 місяців у космосі» Двоє астронавтів NASA нарешті повернулися додому, але страждають від наслідків, ніби постаріли на десять років)
(Додаткова інформація: NASA планує використовувати блокчейн для зберігання важливих людських даних на Місяці: щоб запобігти знищенню Землі)

Зміст

Toggle

• Чорна діра масою в 1 мільярд сонць
• Галактики не тільки ростуть занадто швидко, але й яскраві нелогічно
• Червоні цятки: «чорні зірки», оточені газом?
• Докази суперечать один одному, теорій стає забагато

Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) останніми роками постійно кидає виклик фундаментальним припущенням астрофізики: те, що він бачить у ранньому Всесвіті, повністю не відповідає теорії. Чорні діри, які досягли маси в мільярд сонць менш ніж через мільярд років після Великого вибуху, стародавні галактики, набагато яскравіші за модельні прогнози, і сотні таємничих об'єктів «червоних цяток», яких ніколи не спостерігали до запуску JWST у 2022 році.

Згідно з репортажем Quanta Magazine, який опитав кількох астрофізиків, ця плутанина породжує хвилю нових теорій, які намагаються пояснити «неможливий Всесвіт», відкритий JWST. Три загадки переплітаються, і наразі ніхто не може сказати, яке пояснення є остаточним.

Чорна діра масою в 1 мільярд сонць

Астрофізик з Прінстонського університету Дженні Грін заявила Quanta Magazine, що після Великого вибуху Всесвіт був спочатку гладким і без особливостей, але через кілька сотень мільйонів років «ми вже бачимо, як ростуть чорні діри масою в мільярд сонць». Розмір чорної діри залежить від того, наскільки велике насіння і як швидко воно росте; але колапс перших зірок залишає насіння масою не більше 100 сонць. Щоб вирости до мільярда сонць на ранньому етапі, «їх потрібно насильно годувати».

Раніше вважалося, що зростання чорних дір має жорстку верхню межу (межа Еддінгтона), але нещодавні симуляції показують, що якщо акреційний диск розширюється певним чином, газ може подолати радіаційний тиск, утворюючи «над-еддінгтонівську акрецію». У 2024 році JWST спостерігав чорну діру приблизно через 1,5 мільярда років після Великого вибуху, яка поглинала матерію приблизно в 40 разів швидше за межу Еддінгтона.

Інша теорія стверджує, що найбільші чорні діри з самого початку не були зоряного походження, а утворилися з прямим колапсом величезних газових хмар у насіння масою приблизно 10 000 сонць. Грін каже: «На комп'ютері можна зробити чорні діри прямого колапсу, але не в достатній кількості, щоб пояснити всі чорні діри».

Нещодавнє дослідження додало нових доказів на користь прямого колапсу: червона цятка приблизно через 750 мільйонів років після Великого вибуху, збільшена гравітаційним лінзуванням, була визначена як «оголена» надмасивна чорна діра, оцінена в 50 мільйонів сонячних мас, навколо якої не знайдено розпізнаваних зірок, що свідчить про те, що вона могла народитися як гігантське насіння раніше будь-якої галактики.

Дженні Грін зазначила: «Очевидно, існують відмінності в способах зростання чорних дір, яких ми ще не розуміємо».

Галактики не тільки ростуть занадто швидко, але й яскраві нелогічно

Поки загадка чорних дір не розв'язана, багато ранніх галактик, знайдених JWST, також «надто яскраві». Вчений з Інституту Флетайрон Рейчел Сомервілл у квітні цього року на конференції в Гельсінгері, Данія, продемонструвала найновіші симуляції: «До червоного зміщення 15 (270 мільйонів років) не відбувалося багато подій, при червоному зміщенні 9 (550 мільйонів років) ми створили гарну галактику». Але найстаріша галактика, знайдена JWST, існує лише приблизно через 280 мільйонів років після Великого вибуху, що набагато раніше за графік симуляцій.

Теоретики запропонували кілька пояснень: ранні галактики могли перетворювати газ на зірки з вищою ефективністю, зіркоутворення могло відбуватися імпульсно, а раннє середовище могло сприяти зіркам надзвичайно високої світності. Сомервілл гірко посміхнулася: «Ми майже перейшли від того, що ранніх галактик забагато, щоб пояснити, до того, що теорій для їхнього пояснення забагато».

Інструмент MIRI додатково виявив, що властивості ранніх галактик надзвичайно різноманітні. Хакім Атек з Університету Сорбонни сказав Quanta Magazine: «Деякі галактики виглядають так, ніби вони очистили весь газ і пил, і видно лише голі зірки; інші ж заповнені величезною кількістю газу».

Це свідчить про те, що зіркоутворення могло бути циклом вибухів. Крім того, існує група галактик з аномально високим вмістом азоту, що вказує на наявність великої кількості надзвичайно масивних зірок у ранньому Всесвіті.

Червоні цятки: «чорні зірки», оточені газом?

Серед них червоні цятки можуть бути найдивнішою загадкою.

Астрофізик з Космічного центру світанку в Копенгагені Шарлотта Мейсон звикла малювати каракулі, щоб зрозуміти космічні загадки; останнім часом її блокнот заповнений червоними цятками. Ці об'єкти починають масово з'являтися приблизно через 650 мільйонів років після Великого вибуху, і раніше їх ніколи не спостерігали.

Найновіша ідея полягає в тому, що червоні цятки можуть бути чорними дірами, оточеними товстим газом, що представляє собою новий тип об'єктів — «чорні зірки», де щільна газова оболонка світиться, як атмосфера зірки. Мейсон проаналізувала спектр однієї червоної цятки; теоретично щільна газова хмара мала б спричинити певні зміни світла, але вона їх не побачила.

Вона зізналася Quanta Magazine: «Що тепер робити? Почати спочатку. Якщо я зроблю газ грудкуватим і створю дірки навколо чорної діри, я маю отримати сигнал, ближчий до спостережуваного».

Докази суперечать один одному, теорій стає забагато

Коли три загадки стикаються, докази суперечать один одному. Чорна діра 2024 року, яка пожирала матерію зі швидкістю 40-кратної межі Еддінгтона, підтримує сценарій «маленьке насіння + над-еддінгтонівська акреція»; але «оголена» чорна діра масою 50 мільйонів сонць, навпаки, підтримує сценарій «велике насіння + прямий колапс».

З боку галактик різноманітність, виявлена MIRI, також означає, що не існує єдиного сценарію, який можна застосувати до всіх ранніх галактик. Слова Грін, можливо, найкраще описують ситуацію: очевидно, існують відмінності, а не єдина стандартна відповідь.

Хороша новина полягає в тому, що інструменти вдосконалюються. Сомервілл сказала, що чисельні симуляції «мають дуже значний прогрес» і можуть краще інформувати інтерпретацію Всесвіту з високим червоним зміщенням. Атек зазначив, що зіставляючи спостережувані галактики з найкращими симуляціями, можна реконструювати всю історію зіркоутворення.

Дивлячись далі, випромінювання галактик і чорних дір іонізувало океан нейтрального водню, ознаменувавши кінець темних віків Всесвіту. Перші зірки швидко спалили своє паливо, вибухнули як наднові, розсіявши нові елементи, такі як вуглець, азот, кисень, фосфор, залізо — сировину для планет і життя. Астрофізик з Космічного центру світанку Лізе Крістенсен сказала прямо: «Ми дивимося назад на те, що створило нас». Можливо, це вперше людство має шанс побачити, звідки воно походить.