Крошечные яркие объекты, обнаруженные на заре Вселенной, поставили ученых в тупик

28.06.2024, Адриенн Берар, phys.org, Университет штата Пенсильвания

Недавнее открытие космического телескопа Джеймса Уэбба NASA (JWST) подтвердило, что светящиеся очень красные объекты, ранее обнаруженные в ранней Вселенной, переворачивают традиционные представления о происхождении и эволюции галактик и их сверхмассивных черных дыр.

Международная группа, возглавляемая исследователями штата Пенсильвания, используя прибор NIRSpec на борту JWST в рамках исследования RUBIES, идентифицировала три загадочных объекта в ранней Вселенной, примерно через 600–800 миллионов лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял всего 5% его нынешнего возраста. Они объявили об открытии сегодня, 27 июня, в Astrophysical Journal Letters.

Команда изучала спектральные измерения или интенсивность различных длин волн света, излучаемого объектами. Их анализ обнаружил сигнатуры «старых» звезд, возрастом в сотни миллионов лет, намного старше, чем ожидалось в молодой Вселенной.

Исследователи заявили, что они также были удивлены, обнаружив признаки огромных сверхмассивных черных дыр в тех же объектах, по их оценкам, они в 100-1000 раз массивнее, чем сверхмассивная черная дыра в нашем Млечном Пути. Ни того, ни другого не ожидалось в современных моделях роста галактик и образования сверхмассивных черных дыр, которые предполагают, что галактики и их черные дыры будут расти вместе в течение миллиардов лет космической истории.

«Мы подтвердили, что они, по-видимому, заполнены древними звездами - возрастом в сотни миллионов лет - во Вселенной, возраст которой составляет всего 600-800 миллионов лет. Примечательно, что эти объекты являются рекордсменами по самым ранним признакам света старых звезд», - сказал Бинцзе Ван, научный сотрудник из Университета штата Пенсильвания и ведущий автор статьи.

«Было совершенно неожиданно обнаружить старые звезды в очень молодой Вселенной. Стандартные модели космологии и формирования галактик оказались невероятно успешными, однако эти светящиеся объекты не совсем вписываются в эти теории».

Исследователи впервые заметили массивные объекты в июле 2022 года, когда начальный набор данных был опубликован JWST. Несколько месяцев спустя команда опубликовала статью в Nature , в которой объявила о существовании объектов.

В то время исследователи подозревали, что объекты являются галактиками, но продолжили свой анализ, изучая спектры, чтобы лучше понять истинные расстояния до объектов, а также источники, питающие их мощный свет.

Затем исследователи использовали новые данные, чтобы составить более четкое представление о том, как выглядят галактики и что было внутри них. Команда не только подтвердила, что эти объекты действительно были галактиками в начале времен, но также нашла свидетельства существования удивительно больших сверхмассивных черных дыр и удивительно старого населения звезд.

«Это очень сбивает с толку, - сказал Джоэл Лея, доцент кафедры астрономии и астрофизики Пенсильванского университета и соавтор обеих статей. - Вы можете заставить эти объекты неловко вписаться в нашу текущую модель Вселенной, но только если мы вызовем какое-то экзотическое, безумно быстрое образование в начале времен. Это, без сомнения, самый необычный и интересный набор объектов, который я видел за свою карьеру».

JWST оснащен приборами, чувствительными к инфракрасному излучению, способными обнаруживать свет, излучаемый самыми древними звездами и галактиками. По сути, телескоп позволяет ученым заглянуть назад во времени примерно на 13,5 миллиардов лет, то есть в начало Вселенной, какой мы ее знаем, сказал Лея.

Одна из проблем при анализе древнего света заключается в том, что бывает трудно отличить типы объектов, которые могли излучать свет. В случае этих ранних объектов они имеют четкие характеристики как сверхмассивных черных дыр, так и старых звезд.

Однако, пояснил Ван, пока неясно, какая часть наблюдаемого света исходит от каждой из них - это означает, что это могут быть ранние галактики, которые неожиданно оказались старше и массивнее даже нашего Млечного Пути, и сформировавшиеся гораздо раньше, чем предсказывают модели, или же это могут быть галактики с нормальной массой и "сверхмассивными" черными дырами, примерно в 100-1000 раз более массивными, чем та, которую такая галактика имела бы сегодня.

«Отличить свет от материала, падающего в черную дыру, от света, излучаемого звездами в этих крошечных, далеких объектах, очень сложно, - говорит Ван. - Неспособность определить разницу в текущем наборе данных оставляет широкие возможности для интерпретации этих интригующих объектов. Честно говоря, это захватывающе, когда остается так много загадок, которые еще предстоит разгадать».

Помимо их необъяснимой массы и возраста, если часть света действительно исходит от сверхмассивных черных дыр, то они также не являются обычными сверхмассивными черными дырами. Они производят гораздо больше ультрафиолетовых фотонов, чем ожидалось, и у подобных объектов, изучаемых с помощью других инструментов, отсутствуют характерные признаки сверхмассивных черных дыр, такие как горячая пыль и яркое рентгеновское излучение. Но, возможно, самое удивительное, по словам исследователей, это то, насколько массивными они кажутся.

«Обычно сверхмассивные черные дыры образуют пары с галактиками, - сказал Лея. - Они растут вместе и вместе переживают весь свой жизненный опыт. Но здесь у нас есть полностью сформировавшаяся взрослая черная дыра, живущая внутри того, что должно быть галактикой-младенцем. В этом нет никакого смысла, ведь они должны расти вместе, или, по крайней мере, мы так думали».

Исследователи также были озадачены невероятно малыми размерами этих систем, всего несколько сотен световых лет в поперечнике, примерно в 1000 раз меньше, чем наш Млечный Путь. Звезд примерно столько же, сколько и в нашей галактике Млечный Путь - где-то от 10 миллиардов до 1 триллиона звезд - но они заключены в объеме в 1000 раз меньшем, чем Млечный Путь.

Лея объяснил, что если взять Млечный Путь и сжать его до размеров обнаруженных ими галактик, ближайшая звезда окажется практически в нашей Солнечной системе. Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, находящаяся на расстоянии около 26 000 световых лет от Земли, будет находиться всего на расстоянии около 26 световых лет от Земли и будет видна в небе как гигантский столб света.

«В этих ранних галактиках так много звезд - звезд, которые, должно быть, образовались так, как мы никогда не видели, в условиях, которые мы никогда не ожидали, в период, когда мы никогда не ожидали их увидеть, - сказал Лея. - И по какой-то причине Вселенная перестала создавать подобные объекты всего через пару миллиардов лет. Они уникальны для ранней Вселенной».

Исследователи надеются продолжить наблюдения, которые, по их словам, могут помочь объяснить некоторые загадки объектов. Они планируют получить более глубокие спектры, направив телескоп на объекты в течение длительных периодов времени, что поможет распутать излучение звезд и потенциальной сверхмассивной черной дыры путем выявления специфических сигнатур поглощения, которые будут присутствовать в каждом из них.

«Есть еще один способ совершить прорыв, и это как раз та самая идея, - сказал Лея. - У нас есть все эти кусочки головоломки, и они подходят только в том случае, если мы игнорируем тот факт, что некоторые из них могут быть неверными. Эта проблема поддается гениальному решению, которое до сих пор ускользало от нас, всех наших сотрудников и всего научного сообщества».

Дополнительная информация: Bingjie 冰洁 Wang 王 et al, RUBIES: Evolved Stellar Populations with Extended Formation Histories at z ∼ 7–8 in Candidate Massive Galaxies Identified with JWST/NIRSpec, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad55f7

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: Tiny bright objects discovered at dawn of universe baffle scientists