Космический телескоп Уэбба запечатлел «Вселенную, которой не должно быть»: чёрные дыры непомерно велики, галактики подозрительно ярки — неужели теория Большого взрыва ошибочна?

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) продолжает фиксировать явления ранней Вселенной, которые не могут быть объяснены теорией: слишком быстро растущие черные дыры, слишком яркие древние галактики и сотни никогда ранее не виденных загадочных объектов — «маленькие красные точки».

(Предыстория: 9 месяцев в космосе — два астронавта NASA наконец вернулись домой, но страдают от последствий, словно постарели на десять лет) (Дополнение: NASA планирует использовать блокчейн для хранения важных данных человечества на Луне: чтобы предотвратить гибель Земли)

Содержание данной статьи

Toggle

• Черная дыра массой в миллиард солнечных
• Галактики не только растут слишком быстро, но и необъяснимо ярки
• Маленькие красные точки: «черные дыры-звезды», окруженные газом?
• Доказательства противоречат друг другу, а теорий, наоборот, становится слишком много

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) в последние годы постоянно бросает вызов фундаментальным предположениям астрофизики: то, что он видит в ранней Вселенной, полностью не соответствует прежним теориям. Черные дыры массой в миллиард солнечных, образовавшиеся менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, древние галактики, чья яркость значительно превышает предсказания моделей, и сотни загадочных объектов «маленькие красные точки», никогда не наблюдавшихся до запуска JWST в 2022 году.

Согласно отчету Quanta Magazine, основанному на интервью с несколькими астрофизиками, эта озадаченность порождает волну новых теорий, пытающихся объяснить «невозможную Вселенную», раскрытую космическим телескопом Уэбба. Три загадки взаимосвязаны, и пока никто не может сказать, какое объяснение является окончательным.

Черная дыра массой в миллиард солнечных

Астрофизик из Принстонского университета Дженни Грин сообщила Quanta Magazine, что изначально после Большого взрыва Вселенная была гладкой и без особенностей, но всего через несколько сотен миллионов лет «мы уже видим, как растут черные дыры массой в миллиард солнечных». Размер черной дыры зависит от того, насколько велико было ее «семя» и как быстро оно росло; но коллапс первых звезд оставлял после себя семена массой не более 100 солнечных. Чтобы вырасти до миллиарда солнечных масс в ранней Вселенной, «их необходимо было насильно кормить».

Ранее считалось, что рост черных дыр имеет жесткий предел (предел Эддингтона), но недавние моделирования показывают, что если аккреционный диск расширяется определенным образом, газ может преодолеть радиационное давление, образуя «сверхэддингтоновскую аккрецию». В 2024 году JWST наблюдал черную дыру, существовавшую примерно через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, которая поглощала вещество со скоростью примерно в 40 раз превышающей предел Эддингтона.

Другая теория предполагает, что самые большие черные дыры изначально не были звездного происхождения, а образовались в результате прямого коллапса огромных газовых облаков в семена массой около 10 000 солнечных. Грин говорит: «В компьютере можно создать черные дыры прямого коллапса, но невозможно создать их в количестве, достаточном для объяснения всех черных дыр».

Недавнее исследование добавило новые доказательства в пользу прямого коллапса: маленькая красная точка, существовавшая примерно через 750 миллионов лет после Большого взрыва и увеличенная гравитационным линзированием, была идентифицирована как «обнаженная» сверхмассивная черная дыра, массой, по оценкам, 50 миллионов солнечных, вокруг которой не было обнаружено опознаваемых звезд. Это намекает на то, что она могла родиться как гигантское семя еще до образования каких-либо галактик.

Дженни Грин заявила: «Очевидно, существуют различия в способах роста черных дыр, которые мы еще не понимаем».

Галактики не только растут слишком быстро, но и необъяснимо ярки

Пока загадка черных дыр не решена, многие ранние галактики, обнаруженные JWST, также оказались «слишком яркими». Ученый из Института Флэтайрон Рэйчел Сомервилль на конференции в Хельсингёре, Дания, в апреле этого года продемонстрировала новейшее моделирование: «До красного смещения 15 (270 миллионов лет) не происходило многого, а при красном смещении 9 (550 миллионов лет) мы уже создали красивую галактику». Но самая древняя галактика, найденная JWST, существовала всего через 280 миллионов лет после Большого взрыва, что значительно опережает временные рамки моделирования.

Теоретики предложили несколько объяснений: ранние галактики могли преобразовывать газ в звезды с более высокой эффективностью, звездообразование могло происходить прерывистыми вспышками, а ранние условия могли благоприятствовать звездам чрезвычайно высокой светимости. Сомервилль с горькой улыбкой заметила: «Мы перешли от ситуации, когда ранних галактик было слишком много, чтобы их объяснить, к ситуации, когда теорий для их объяснения стало слишком много».

Инструмент MIRI дополнительно показал, что свойства ранних галактик чрезвычайно разнообразны. Хаким Атек из Сорбонны сообщил Quanta Magazine: «Некоторые галактики выглядят так, будто в них нет газа и пыли, видны только обнаженные звезды; другие же заполнены огромным количеством газа».

Это намекает на то, что звездообразование могло представлять собой серию вспышек, повторяющихся в циклах. Кроме того, существует группа галактик с аномально высоким содержанием азота, что указывает на наличие в ранней Вселенной большого количества особенно массивных звезд.

Маленькие красные точки: «черные дыры-звезды», окруженные газом?

Из всего этого маленькие красные точки, возможно, являются самой странной загадкой.

Астрофизик из Копенгагенского центра Cosmic Dawn Center Шарлотта Мейсон привыкла использовать зарисовки для понимания космических загадок; ее блокнот недавно заполнился рисунками маленьких красных точек. Эти объекты начали массово появляться примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва и ранее никогда не наблюдались.

Последняя идея заключается в том, что маленькие красные точки могут быть черными дырами, окутанными плотным газом, представляя собой новый тип объектов — «черные дыры-звезды», где плотная газовая оболочка светится, подобно звездной атмосфере. Мейсон проанализировала спектр одной маленькой красной точки; теоретически, плотное газовое облако должно вызывать определенные изменения в части света, но она их не увидела.

Она откровенно призналась Quanta Magazine: «И что теперь? Начинаем заново. Если я сделаю газ комковатым и создам отверстия вокруг черной дыры, то, вероятно, получу сигнал, более близкий к наблюдаемому».

Доказательства противоречат друг другу, а теорий, наоборот, становится слишком много

Когда три загадки сталкиваются, доказательства на самом деле противоречат друг другу. Черная дыра 2024 года, пожиравшая вещество с интенсивностью в 40 раз превышающей предел Эддингтона, поддерживает теорию «маленького семени + сверхэддингтоновская аккреция»; но «обнаженная» черная дыра массой 50 миллионов солнечных, наоборот, поддерживает теорию «большого семени + прямой коллапс».

Что касается галактик, разнообразие данных MIRI также означает, что не существует единого сценария, применимого ко всем ранним галактикам. Возможно, слова Грин наиболее точны: различия, очевидно, существуют, и не существует единственного стандартного ответа.

Хорошая новость в том, что инструменты совершенствуются. Сомервилль говорит, что в численном моделировании «наблюдается очень значительный прогресс», который может предоставить больше информации для интерпретации Вселенной с высоким красным смещением; Атек упоминает, что, сопоставляя наблюдаемые галактики с наилучшими аналогами из моделирования, можно реконструировать всю историю звездообразования.

Если смотреть дальше, излучение галактик и черных дыр ионизировало океан нейтрального водорода, ознаменовав конец темных веков Вселенной; первые звезды быстро сожгли свое топливо и взорвались как сверхновые, засеяв Вселенную новыми элементами — углеродом, азотом, кислородом, фосфором, железом — сырьем для планет и жизни. Астрофизик из Cosmic Dawn Center Лизе Кристенсен сказала прямо: «Мы оглядываемся на то, что создало нас». Возможно, у человечества впервые появился шанс воочию увидеть, откуда мы произошли.