Столкнувшись с данными наблюдений ранних чёрных дыр и галактик, существование которых не предполагалось, учёные выдвинули множество новых теорий, чтобы объяснить эти явления. Теперь им остаётся только выяснить, какие из них верны.
Когда Шарлотта Мейсон размышляет о космических загадках, она любит рисовать. «Я довольно визуальный человек, — говорит она. — Обычно я делаю много рисунков, пытаясь разобраться в чём-то».
Мейсон, астрофизик из Центра «Космический рассвет» в Копенгагене, в последнее время заполняет страницы набросками «маленьких красных точек» — загадочных объектов, обнаруженных сотнями на снимках, полученных космическим телескопом Джеймса Уэбба. До ввода телескопа в эксплуатацию в 2022 году подобных маленьких красных точек никто не видел. Но теперь мы знаем, что они начали появляться в значительном количестве примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва.
Эти точки — лишь одна из захватывающих загадок, которые выявились в результате наблюдений «Уэбба» за ранней Вселенной. Среди прочих — чёрные дыры, которые кажутся невообразимо огромными для своего возраста, а также древние галактики, опровергающие то, что мы считали известным о первом миллиарде лет после Большого взрыва. Сначала учёные были ошеломлены: Вселенная, открытая «Уэббом», просто не вписывалась в наше понимание астрофизики. Сейчас волна новых теорий предлагает интригующие решения — но какие из них отражают реальность, пока неизвестно.
Согласно недавним гипотезам, маленькие красные точки могут оказаться чёрными дырами, заключёнными в плотную газовую оболочку, образовывая таким образом совершенно новый тип объекта, называемый «звездой-чёрной дырой» или «квазизвездой». Это чёрная дыра, окружённая плотной газовой оболочкой, которая излучает свет, подобно атмосфере звезды.
«Допустим, это наша чёрная дыра», — говорит Мейсон, нарисовав маленький кружок и закрасив его. «Я, возможно, добавлю к ней диск, потому что мы полагаем, что именно оттуда исходит часть излучения». Она провела линию через центр кружка. «Тогда у нас получится примитивная картина происходящего — плотное газовое облако вокруг чёрной дыры». Она нарисовала более крупную окружность, окружающую объект.
Но Мейсон полагает, что за этими космическими загадками может скрываться нечто большее. Недавно она и её коллеги проанализировали спектр света, излучаемого одной маленькой красной точкой. Если представление о плотном облаке верно, то часть света должна была измениться при прохождении через газ — но они наблюдали нечто другое.
«Что мне делать? Начать сначала. Но если я сделаю газ более комковатым», — сказала Мейсон, рисуя новую схему с пробелами в облаках, окружающих чёрную дыру, — «у меня получится [сигнал], который будет выглядеть более похожим на то, что мы видели».
По всему миру учёные, вслед за Мейсон, с нетерпением собирают воедино фрагменты древнего космоса, запечатлённые телескопом «Уэбб», чтобы составить более чёткое представление о зарождении нашей Вселенной. И, подобно фотонам, преодолевающим миллиарды световых лет, чтобы достичь нас, новые фрагменты постоянно встают на свои места.
Бездонные ямы Вселенной
История чёрных дыр стала ещё более сложной благодаря «Уэббу», который продолжает обнаруживать древние чёрные дыры, слишком большие, чтобы их можно было объяснить с помощью существующих теорий — гораздо слишком большие.
Вскоре после Большого взрыва Вселенная была в основном однообразной и гладкой. Затем, всего через несколько сотен миллионов лет, «мы уже видим, как растут чёрные дыры, масса которых составляет миллиарды масс Солнца», — сказала Дженни Грин, астрофизик из Принстонского университета. «Чтобы объяснить, как они так быстро стали такими огромными, приходится прибегать к некоторым ухищрениям».
Учёные рассматривают два ключевых фактора, влияющих на размер чёрной дыры: насколько массивным был «зародыш» чёрной дыры при её возникновении и как быстро эти зародыши росли впоследствии. Но трудно объяснить, по какой причине чёрные дыры либо родились уже достаточно большими, либо росли достаточно быстро, чтобы достичь массы, в миллиард раз превышающей массу Солнца, в ранние космические времена.
В современной Вселенной чёрные дыры образуются, когда ядро массивной звезды исчерпывает запасы топлива и коллапсирует. Учитывая, что первые звёзды были довольно массивными, они могли оставить после себя «зародыши» чёрных дыр массой до примерно 100 масс Солнца, отметила Грин.
«Мы знаем, что такое бывает, но набрать миллиард масс за такое короткое время — это действительно очень и очень сложно», — сказала она. «В теоретических моделях для этого их приходится буквально кормить насильно».
Исторически учёные считали, что существует жёсткий предел скорости роста чёрных дыр. Когда вещество падает в чёрную дыру, оно нагревается, вращаясь вокруг оси, как вода, стекающая в слив. Излучение, которое генерирует этот «аккреционный диск», оказывает сопротивление поступающему материалу, не давая чёрной дыре поглощать его слишком быстро. Этот предел поглощения, называемый пределом Эддингтона, должен делать невозможным увеличение массы чёрных дыр в десятки миллионов раз за разумное время.
Однако недавние компьютерные моделирования показывают, что у чёрных дыр, возможно, есть своего рода «козырь в рукаве». Если аккреционный диск раздувается определённым образом, поступающий газ может преодолеть давление излучения. Такая «супер-эддингтоновская» аккреция привела бы к поступлению газа с невероятной скоростью.
Тем не менее, астрономы не знают, хватило бы газа для образования самых больших чёрных дыр. Некоторые исследователи полагают, что древние плотные звёздные скопления могли создать множество «зародышей» чёрных дыр, которые затем быстро сливались друг с другом.
А может быть, сверхмассивные чёрные дыры и вовсе не зарождались из звёзд. В этом случае колоссальные облака газа могли бы схлопнуться в чёрную дыру. Этот механизм «прямого коллапса» способен сформировать зародыш, масса которого в 10 000 раз превышает массу Солнца.
«Проблема модели прямого коллапса заключается в том, что она требует воистину идеальных условий», — сказала Грин. Чтобы прямой коллапс произошёл, гигантское облако должно сжаться в чёрную дыру целиком и сразу, не разбиваясь предварительно на более мелкие облака, из которых образовались бы звёзды. Для этого необходимы определённые химические свойства газа, а само облако должно вращаться медленно.
«Когда учёные пытаются смоделировать этот процесс на компьютере, им удаётся создать чёрные дыры, образовавшиеся в результате прямого коллапса, но их количество недостаточно для объяснения всех чёрных дыр, которые мы наблюдаем», — отметила Грин.
Существуют некоторые доказательства, говорящие в пользу каждой из этих теорий. В 2024 году телескоп «Уэбб» зафиксировал чёрную дыру, образовавшуюся примерно через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, поглощающую вещество со скоростью, примерно в 40 раз превышающей предел Эддингтона. Если чёрные дыры в более ранний период космической истории также «набивали себе пузо» таким образом, то, возможно, самые крупные из них начинались как относительно небольшие «зародыши».
Моделирование формирования галактики в первые 550 миллионов лет после Большого взрыва. Панели слева направо представляют тёмную материю, газ и звёзды.
Однако недавно учёные тщательно изучили маленькую красную точку, появившуюся примерно через 750 миллионов лет после Большого взрыва, которая подвергается гравитационному линзированию со стороны скопления галактик на переднем плане. Они пришли к выводу, что этот объект представляет собой «голую» сверхмассивную чёрную дыру, масса которой, по оценкам, в 50 миллионов раз превышает массу Солнца, и вокруг которой не наблюдается никаких различимых звёзд. Если эта оценка массы верна, то из этого следует, что чёрная дыра, возможно, сформировалась как крупный «зародыш», вероятно, в результате прямого коллапса, ещё до появления каких-либо галактик.
«Существуют явные различия в процессах роста чёрных дыр, которые мы пока не до конца понимаем, — сказала Грин. — Поэтому для меня сейчас самое интересное — попытаться понять с физической точки зрения, в чём именно заключается это различие?»
Формирование галактики
Подобно ранним чёрным дырам, которые кажутся слишком большими, многие ранние галактики, обнаруженные «Уэббом», кажутся слишком яркими. Чтобы выяснить причину, исследователи пересматривают свои представления о том, как формируются галактики.
Примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва молодая Вселенная была небольшой, плотной и горячей по сравнению с сегодняшней. По мере расширения и охлаждения тёмная материя объединялась в огромные скопления, которые учёные называют гало. Сила притяжения этих не излучающих света гало притягивала газовые потоки водорода и гелия, формируя обширные нити, которые собирались в ядрах окружающих их тёмных шаров. Как только накопилось достаточное количество газа, экстремальное давление зажгло огонь ядерного синтеза и привело к появлению первых звёзд, которые, сблизившись, образовали первые галактики.
Астрономы обычно описывают хронологию этих событий с помощью показателя красного смещения — то есть того, насколько свет от ранних объектов был удлинён в результате космического расширения.
«До достижения красного смещения примерно в 15 [270 миллионов лет после Большого взрыва] ничего особенного не происходит, а затем вдоль этих нитей начинает течь огромное количество газа», — сказала Рэйчел Сомервилл, старший научный сотрудник, изучающая формирование галактик в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Она представила новые компьютерные модели на конференции в апреле 2026 года в Хельсингёре, Дания. В конференц-зале с видом на пролив между Балтийским и Северным морями собрались более 100 исследователей со всего мира, чтобы обсудить загадки раннего периода развития Вселенной. На экране проектора мелькали красочные визуализации тёмной материи, газа и звёздного света.
«При красном смещении примерно в 11 [420 миллионов лет] скорость звездообразования начинает реально нарастать», — продолжила она. «При красном смещении в девять [550 миллионов лет] у нас получается аккуратная галактика».
Звёздные скопления сливаются, образуя галактику примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва.
Галактика на экране представляла собой раннюю популяцию, однако самая древняя галактика, обнаруженная «Уэббом» на данный момент, возникла всего через 280 миллионов лет после Большого взрыва. Поразительное открытие телескопом ярких ранних галактик поначалу заставило некоторых учёных предположить, что наше понимание фундаментальной космологии — законов, определяющих поведение энергии и материи в ранней Вселенной, — может быть неверным. Но после нескольких лет изучения этих примитивных объектов у теоретиков теперь есть несколько моделей, объясняющих их яркость и количество.
«Мы почти перешли от ситуации, когда ранних галактик было слишком много, к ситуации, когда теорий для их объяснения стало слишком много», — сказала Сомервилл собравшимся.
Возможно, первые галактики преобразовывали газ в звёзды более эффективно, чем считалось ранее. Или в них происходили периодические всплески звездообразования, вызванные турбулентными условиями. А может быть, ранние зоны звездообразования преимущественно создавали массивные, чрезвычайно яркие звёзды. Многие астрофизики полагают, что к развитию галактик привела какая-то комбинация этих факторов, а возможно, и влияние других.
Чтобы проверить эти новые гипотезы, учёные исследуют раннюю Вселенную с помощью моделирования. «С момента запуска телескопа „Уэбб“, а точнее, за последний год или около того, в области численного моделирования действительно был достигнут поразительный прогресс», — сказала Сомервилл участникам конференции, добавив, что эти новые модели «возможно, более подходят и дают больше информации для интерпретации наблюдений во Вселенной с высоким красным смещением».
По мере совершенствования этих моделей телескоп «Уэбб» фиксирует всё больше и больше галактик. Сравнивая то, что он наблюдает в ранней Вселенной, с моделированием, призванным объяснить эти явления, исследователи постепенно приближаются к раскрытию истинной природы космического рассвета.
«Мы можем попытаться сопоставить наилучший аналог наблюдаемой галактики с моделируемой», — сказал Хаким Атек, астрофизик из Парижского института астрофизики при Сорбоннском университете. «Как мы найдём это наилучшее соответствие, можно будет изучить историю звездообразования, ведь в моделированиях у вас есть доступ ко всей истории галактики».
Недавно интригующая зацепка появилась благодаря среднеинфракрасному прибору (MIRI) телескопа «Уэбб» — сверхохлаждённому устройству, способному анализировать свет удалённых объектов. MIRI показал, что ранние галактики не обладают одинаковыми характеристиками, как предполагали учёные.
«Главная неожиданность заключается в разнообразии свойств галактик, которые мы наблюдаем в ранние эпохи», — сказал Атек. «Ожидалось, что они будут выглядеть одинаково».
Это разнообразие может свидетельствовать о звездообразовании, происходившем всплесками: галактики переживали периоды слияния звёзд, которые взрывались и выбрасывали газовые облака, приостанавливая звездообразование, после чего газ вновь собирался и вызывал новую волну рождения звёзд.
«Похоже, что некоторые из них полностью очистили всю присутствующую там межзвёздную среду — и газ, и пыль. Это похоже на набор „голых“ звёзд», — сказал Атек. «Другая галактика — полная противоположность. В ней много газа».
Ещё одна подсказка исходит от группы галактик с избытком азота. Наличие этого элемента позволяет предположить, что в ранней Вселенной, возможно, было много особенно массивных звёзд. В моделировании эти массивные звёзды генерируют избыток азота, прежде чем взрываются в виде сверхновых и рассеивают этот элемент по своим галактикам.
Когда-нибудь исследователи, возможно, раскроют полную картину формирования галактик. А пока они будут продолжать просеивать следы в новых наблюдениях и моделированиях.
Загадка существования
Как только зажглись звёздные огни, Вселенная преобразилась. Излучение ранних галактик и чёрных дыр ионизировало море нейтрального водорода, вырезая огромные пузыри посреди космического тумана. Исследователи называют этот период реионизацией, поскольку это была вторая ионизация Вселенной. Он знаменует конец космических тёмных веков, во время которых туманная бездна была лишена звёзд.
Первые звёзды, масса которых, как полагают, в сотни или тысячи раз превышала массу Солнца, стремительно сжигали свои запасы водорода и гелия и взрывались мощными сверхновыми, наполняя Вселенную новыми элементами — такими как углерод, азот, кислород, фосфор и железо — из которых состоят планеты и сама жизнь.
Во многих отношениях эти первые звёзды являются матерями Вселенной. «Мы обращаемся взглядом назад к тому, что создало нас», — сказала Лиза Кристенсен, астрофизик из Центра «Космический рассвет».
Возможно, вполне уместно, что недавняя конференция, посвящённая обсуждению космических истоков, прошла в Хельсингёре, недалеко от замка, который послужил прообразом Эльсинора в «Гамлете». В пьесе датский принц Шекспира сетует:
этот несравненнейший полог, воздух, видите ли, эта великолепно раскинутая твердь, эта величественная кровля, выложенная золотым огнём, — всё это кажется мне не чем иным, как мутным и чумным скоплением паров. Что за мастерское создание — человек! Как благороден разумом! Как беспределен в своих способностях, обличьях и движениях! Как точен и чудесен в действии! Как он похож на ангела глубоким постижением! Как он похож на некоего бога! Краса вселенной! Венец всего живущего! А что для меня эта квинтэссенция праха?
перевод М. Лозинского
Хотя это и является печальным размышлением о бытии — вселенная как «мутное и чумное скопление паров», человечество как «квинтэссенция праха» — сегодня мы понимаем, что описание Гамлета с научной точки зрения более точно, чем мог предположить Шекспир. На самом деле мы состоим из элементов, образовавшихся в звёздах и выброшенных в космическое пространство в виде газа и пыли.
Однако, в отличие от Гамлета, погрязшего в унынии в Эльсиноре, учёные, изучающие происхождение Вселенной, воодушевлены этими космическими началами.
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1056690/