За 22 месяца космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» не раз озадачивала и шокировала ученых своими данными. Редакция Naked Science объяснила, что на самом деле происходит с наукой об истории космоса благодаря снимкам телескопа.
В первую очередь стоит отметить, что огромная чувствительность «Джеймса Уэбба» позволяет ему различать самые тусклые объекты и наблюдать космос в инфракрасных волнах. Это очень важно, ведь расширение Вселенной растягивает электромагнитные волны, а свет, испущенный в первый миллиард лет ее существования, давно превратился в инфракрасное излучение. Если лучи галактики провели в пути 13 миллиардов лет, то мы видим ее такой, какой она была 13 миллиардов лет назад, всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва.
Говоря о световых годах, стоит учесть, что расстояние для астрофизиков может быть разным. Потому ученые чаще говорят не о расстоянии, а о красном смещении (z). При необходимости все это пересчитывается в любую разновидность расстояния. Есть разные способы измерить красное смещение.
Классический, но самый трудоемкий путь — получить спектр объекта, то есть измерить его яркость на каждой доступной длине волны. Более простой способ — фотометрический. Телескоп измеряет блеск галактики через несколько светофильтров, условно говоря, «синий», «зеленый» и «красный» в полноценный спектр. Фотометрические z используются, когда нет спектроскопических.
Так, недавно обнаруженная галактика UNCOVER-z12 — на четвертом месте по удаленности от Земли (z = 12,39), а ее «соседка по открытию» UNCOVER-z13 и вовсе на втором (z = 13,08). На первом же месте (z = 13,2) галактика JADES-GS-z13−0, открытая все тем же «Уэббом». Между тем в научной статье UNCOVER-z13 называется лишь кандидатом в галактики. Кроме того, красное смещение «чемпиона» JADES-GS-z13−0 — спектроскопическое, а «серебряного призера» UNCOVER-z13 — фотометрическое, то есть не столь точное.
Важно понимать, что подавляющее большинство измеренных «Уэббом» красных смещений — фотометрические. Оно не просто менее точно, но и поддается искажению. Такую злую шутку с астрономами может сыграть среди прочего обилие пыли в галактике или аномально сильное излучение на некоторых длинах волн. Подобное уже случалось, в том числе и с «Уэббом».
Предположим, что большинство свежеоткрытых галактик действительно так далеки, как показывает фотометрия. Тогда космология начинает трещать по швам. В начале 2023 года вышла статья, авторы которой рассмотрели «уэббовские» галактики с фотометрическим 7,4 ≤ z ≤ 9,1 (500−700 миллионов лет после Большого взрыва). Вывод однозначен: массивные галактики встречались в ту эпоху значительно чаще, чем предсказывают наши лучшие теории.
Механизм образования галактик — действительно проблемная область космологии. Но в том и прелесть: исследователям не обязательно использовать конкретную теорию зарождения галактик. Недавно астроном Майкл Бойлан-Колчин опубликовал работу, исходя из общих положений современной стандартной космологической модели — ΛCDM-космологии. Например, о том, что большую часть вещества во Вселенной составляет темная материя, состоящая из неизвестных науке частиц. Они за редчайшими исключениями взаимодействуют друг с другом и с обычным веществом только через гравитацию.
Еще один компонент Вселенной — темная энергия. Согласно одному из недоказанных тезисов, она отличается и от обычного, и от темного вещества и не играет заметной роли в образовании первых галактик. Однако до запуска «Уэбба» большинство космологов считало, что это лучший способ объяснить наблюдаемые свойства Вселенной. Бойлан-Колчин обозначил проблему: аппарат видит неожиданно много ярких галактик на фотометрических z = 7−10 (500−800 миллионов лет после Большого взрыва).
Возможно, эти результаты — ошибка наблюдений, из-за которых «Уэбб» мог завысить красное смещение и (или) светимость галактики. Но если данные все же верны, то ΛCDM-космология оставляет для этого единственную возможность. Нужно допустить, что в те времена более 60% обычной — не темной — материи существовало в виде звезд, а не межзвездного и межгалактического газа. Между тем в доступном для детального изучения космосе массовая доля звезд в обычной материи составляла всего 10−20%.
Очень трудно понять, почему в ранней Вселенной она должна быть в несколько раз выше. Принять такое предположение — значит объяснять странный факт через еще более странную гипотезу. В каждой научной работе с критикой результатов «Уэбба» используется тезис: «Если красные смещения будут подтверждены спектроскопически». Списать все неувязки на ошибки наблюдений мешает простой факт: «незаконных» объектов слишком много.
Уже в первые несколько месяцев работы космическая обсерватория нашла десятки кандидатов в галактики с фотометрическим z > 10 (менее 450 миллионов лет после Большого взрыва). Вряд ли все они могут быть ложными. Чувствительный «Уэбб» вторгся в совершенно новую область, и вполне возможно, что здесь Вселенная припасла настырным наблюдателям какой-нибудь неприятный сюрприз. Если же фотометрические результаты космического аппарата все же подтвердятся, в ΛCDM-космологии придется многое менять. Скорее всего, перемены коснутся самых загадочных субстанций — темной материи и энергии. Благо альтернативных теорий на их счет предостаточно.
Недавнее исследование показало, что Вселенная может оказаться черной дырой. Такой вывод сделан благодаря изучению глобальной карты массы и радиусов субъектов, начиная от субатомных частиц и заканчивая сверхскоплениями галактик.
Олеся Маевская
