Результаты космической обсерватории «Джеймс Уэбб» удивляют учёных: телескоп обнаруживает много древних массивных галактик, появление которых противоречит нынешним представлениям. В связи с этим некоторые предполагают отмену теории Большого взрыва. Naked Science рассказывает о том, что происходит на самом деле с наукой об истории космоса.
Последние новости об очень далеких галактиках сыплются из-за орбитального телескопа «Джеймс Уэбб», запущенного в конце 2021 года. Его огромная чувствительность позволяет различать самые тусклые объекты. Кроме того, он наблюдает космос в инфракрасных волнах. Для наблюдения далеких галактик это важно, ведь расширение Вселенной растягивает электромагнитные волны. Свет, испущенный в первый миллиард лет существования Вселенной, давно превратился в инфракрасное излучение. Лучи самых далеких объектов, наблюдаемых «Уэббом», в момент испускания были даже не световыми, а ультрафиолетовыми.
Путь лучей галактики длится 13 миллиардов лет, значит мы видим ее такой, какова она была 13 миллиардов лет назад – всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Вглядываясь в космос, мы смотрим в прошлое. Это единственный способ проверить теории о формировании галактик.
Чем больше данных собирает «Уэбб», тем больше вопросов возникает к существующим теориям. Ранние галактики оказываются неожиданно развитыми. Трудно объяснить, как им удалось приобрести такую массу за сотни миллионов лет после Большого взрыва. Возможно, новые данные заставят учёных пересмотреть представления о составе Вселенной.
Существуют нюансы и сложности, которые важно учесть перед тем, как приступать к переопределению мировоззрения в космологии.
Коварные расстояния
Если свет от галактики до нас пришел через 13 миллиардов лет, это не означает, что расстояние до нее составляет 13 миллиардов световых лет. Такая простая арифметика работает только для ближайших галактик. В масштабах Вселенной пространство и время создают неожиданные эффекты, из-за которых обычное представление о расстояниях теряет смысл. Если вы скажете «расстояние», астрофизик попросит уточнить: какое? Радиальное? Яркостное? Разных видов расстояний множество.
Часто говорят не о расстоянии, а о красном смещении, обозначаемом буквой z. Его можно однозначно пересчитать в любую разновидность расстояния и время путешествия света. Специалистам обычно это не нужно. Астроном может сказать: «Я видел объект с z = 13», и коллеги удивлятся. Понять их легко: z = 13 — это всего 330 миллионов лет после Большого взрыва.
Различаются методики измерения красного смещения. Классический метод заключается в получении спектра объекта, то есть измерении его яркости на каждой доступной длине волны. Этот способ наиболее точен, но и самый ресурсоемкий, требующий высокое качество наблюдений. Красное смещение, определенное таким образом, называют спектроскопическим.
Существует способ «для бедных» — фотометрический. Телескоп определяет яркость галактики с помощью нескольких светофильтров: синего, зеленого и красного. Вместо разложения света (или инфракрасных волн) в полный спектр подобные данные позволяют измерить красное смещение, но не так точно. Фотометрические z применяют при отсутствии спектроскопических данных.
Ненужный пьедестал
Журналисты часто пропускают такие нюансы, подобные действию героини Гоголя, приписывая Никанору Ивановичу губы Ивана Кузьмича. По некоторым сообщениям в СМИ, 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, опубликованнойВ журнале Astrophysical Journal Letters UNCOVER-z13 назван лишь кандидатом в галактики. Наблюдатели так выражаются, когда не вполне уверены, что видят, а это в астрономии случается часто. Возможно, UNCOVER-z13 вообще не реальный объект, а результат ошибки в обработке данных.
Красное смещение «чемпиона» JADES-GS-z13-0 получено с помощью спектроскопии, то есть измерения выполнено точно. У «серебряного призера» UNCOVER-z13 красное смещение измеренное фотометрическим методом, то есть измерения были произведены на наилучшем доступном уровне. Нет смысла объединять такие данные в одном рейтинге.
За первенство борются не только JADES-GS-z13-0, но и ещё кто-то. галактикаОбъект HD1 с показателем спектроскопического красного смещения z = 13,27 формально должен занимать первое место. Но возможные ошибки в определении z могут нарушить этот порядок. Ученые оценивают погрешности своих измерений, но иногда слишком оптимистично.
Астрономы меньше всего заботятся о рейтингах и почестях. Научное познание — не соревнование. Чем больше информации о прошлом вселенной, тем ценнее, а споры о десятке лучших — второстепенны.
Необходимо осознавать, что большая часть измеренных фотометрическим красным смещением объектов «Уэббом» не является точной. Фотометрический метод менее точен по сравнению с спектроскопическим. Некоторые явления могут существенно исказить его результаты, например, показать z > 12 при реальном значении z < 5. Такое искажение может быть вызвано пылью в галактике или аномально сильным излучением на определённых длинах волн. Подобные ситуации уже возникали, включая измерения «Уэббом».
Разрушитель теорий
Допустим, что наибольшее число недавно обнаруженных галактик находятся на таком расстоянии, как указывает фотометрическое измерение. В этом случае космология попадет в затруднительное положение.
В начале 2023 года в Nature вышла статьяАвторы рассмотрели «уэббовские» галактики с красным смещением 7,4≤z≤9,1 (500-700 миллионов лет после Большого взрыва). Массивные галактики в ту эпоху встречались значительно чаще, чем предсказывают наши лучшие теории.
Возможно, наше представление о формировании галактик недостаточно точным. Эта сфера космологии остаётся загадкой. По сравнению с ней природа реликтового излучения или происхождение химических элементов более ясна.
На этот вопрос отвечает работаРабота Майкла Бойлана-Колчина, опубликованная в журнале Nature Astronomy, основывается на общих положениях модели ΛCDM-космологии — самой авторитетной модели устройства и развития Вселенной. Например, модель предполагает, что большую часть вещества во Вселенной составляет темная материя из неизвестных частиц, взаимодействующих друг с другом и с обычным веществом только через гравитацию.
Третий компонент Вселенной — темная энергия. Её отличие от обычной и от темной материи таково, что она не участвовала в формировании первых галактик. Ни один из этих утверждений не подтвержден достоверно. Тем не менее, большинство космологов считают это наилучшим способом объяснить наблюдаемые свойства Вселенной. Или, возможно, лучше сказать: считали до запуска «Уэбба»?
Бойлан-Колчин выделил проблему: «Уэбб» обнаруживает больше ярких галактик на фотометрических z = 7-10 (500-800 миллионов лет после Большого взрыва), чем ожидалось. Возможно, это ошибка наблюдений (эксперт перечислил причины, по которым «Уэбб» мог завысить красное смещение и (или) светимость галактики). Но если данные верны, то как их объяснить? Исследователь показал, что модель ΛCDM оставляет для этого единственный вариант: в те времена более 60 процентов обычной материи существовало в виде звезд, а не межзвездного и межгалактического газа. В доступном для детального изучения космосе все иначе: массовая доля звезд в обычной материи всего 10-20 процентов. Очень трудно понять, почему в ранней Вселенной она должна быть в несколько раз выше. Принять такое предположение — значит объяснять странный факт еще более странной гипотезой.
А ведь z = 10 — далеко не предел. Авторы работыАвторы сообщения о недавно обнаруженной галактике, образовавшейся за первые 220 миллионов лет после Большого взрыва (фотометрическое z = 17), признают возможность ошибки в определении красного смещения и массы галактики. Эта информация поражает: путь от первых признаков жизни на Земле до многоклеточных организмов занял около двух миллиардов лет, а галактика со звездной массой в пять миллиардов солнц возникла вдесять раз быстрее. Такой результат ставит под сомнение почти любую модель ранней эволюции галактик, согласующейся с ΛCDM-космологией. Авторы также рассматривают сценарий с z = 5.
Жар открытия или холодный душ?
Каждая научная публикация, анализирующая несоответствие результатов «Уэбба» с космологическими моделями, акцентирует: «Если красные смещения подтвердятся спектроскопически». При такой неуверенности в фотометрических z целесообразно ли сейчас разрабатывать новую космологию?
Списать все расхождения на ошибки наблюдений невозможно: слишком много объектов, которые нельзя классифицировать законными. Уже первые месяцы работы «Уэбба» принесли десятки кандидатов в галактики с фотометрическим z > 10 (менее 450 миллионов лет после Большого взрыва). Вряд ли все эти объекты являются ложными. Разве что фотометрия как способ оценки красного смещения совершенно непригодна для таких тусклых галактик, какие наблюдает «Уэбб».
Такой исход развития событий не исключить. Ученые хорошо знают: для фиксации слабых сигналов недостаточно иметь чувствительный прибор. Чем слабее сигнал, тем больше помех способны его исказить. Студентов-физиков учат, взвешивая образец на точных весах, учитывать архимедово выталкивание в воздухе. Исследователям, фиксирующим гравитационные волны на детекторах LIGO и VIRGO, приходится учитывать даже тепловое движение молекул в зеркалах. Рекордно чувствительный «Уэбб» вторгся в совершенно новую область, и вполне возможно, что здесь Вселенная приготовила настырным наблюдателям неприятный сюрприз. Галактика — не набор деталей, ее невозможно разобрать по частям для того, чтобы выяснить причину сбоя.
В случае подтверждения фотометрических данных «Уэбба», в ΛCDM-космологии потребуется внести коррективы, вероятно, касающиеся темной материи и энергии. Впрочем, для этого имеется множество альтернативных теорий.
Такие теории обычно хуже согласуются с большинством наблюдений, чем ΛCDM-модель — именно поэтому она считается самой авторитетной. Возможно, среди спекуляций скрываются зачатки новой космологии. Но прежде чем искать их, лучше подождать результатов спектроскопии и набраться терпения.