Ученых все больше озадачивают поступающие данные с космической обсерватории «Джеймс Уэбб». Телескоп выявляет значительное количество древних и массивных галактик, существование которых противоречит современным научным моделям. Некоторые ученые даже предположили возможность пересмотра теории Большого взрыва. Naked Science разбирается в том, что происходит с нашим пониманием истории космоса.
В последнее время поступает множество новостей об очень далеких галактиках. За это можно поблагодарить орбитальный телескоп «Джеймс Уэбб», который был запущен в конце 2021 года. Благодаря своей высокой чувствительности он способен обнаруживать даже самые слабые объекты. Кроме того, телескоп проводит наблюдения в инфракрасном диапазоне, что крайне важно для изучения далеких галактик, поскольку расширение Вселенной приводит к растяжению электромагнитных волн. Свет, излученный в первые миллиарды лет существования Вселенной, теперь представляет собой инфракрасное излучение. Излучение самых удаленных объектов, наблюдаемых «Уэббом», на момент излучения было даже не световым, а ультрафиолетовым.
Поскольку свет от галактики идет к нам 13 миллиардов лет, мы наблюдаем ее в том виде, в котором она существовала 13 миллиардов лет назад, всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Наблюдая за удаленными космическими объектами, мы заглядываем в прошлое. Именно это позволяет нам проверять наши гипотезы о формировании галактик.
С каждым новым массивом данных, полученных телескопом «Уэбб», возникают сомнения в справедливости существующих теорий. Оказалось, что ранние галактики развиты гораздо больше, чем предполагалось. Объяснить, как им удалось приобрести столь значительную массу всего за несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, становится всё сложнее. Полученные данные могут потребовать от ученых пересмотра современных представлений о составе Вселенной.
Прежде чем кардинально менять представления о Вселенной, важно учитывать определенные нюансы и потенциальные сложности.
Коварные расстояния
Важно понимать: если свет от галактики достиг нас за 13 миллиардов лет, это не обязательно означает, что расстояние до нее составляет 13 миллиардов световых лет! Подобные расчеты применимы лишь в пределах нескольких ближайших галактик, но не в масштабах Вселенной. В этих масштабах пространство и время демонстрируют необычные эффекты, из-за которых привычное представление о расстояниях теряет свою актуальность. Если вы используете термин «расстояние», астрофизик, скорее всего, запросит уточнение: какое именно? Радиальное или яркостное? Как когда-то говорили в интернете, «тысячи их». Конечно, на самом деле их не тысячи, но они вполне могут отличаться друг от друга в несколько раз.
В большинстве случаев речь идет не о расстоянии, а о красном смещении, которое обозначается буквой z. Эта величина может быть однозначно преобразована в различные типы расстояний и, что особенно удобно, в время, затраченное светом на путешествие. Специалистам такой пересчет обычно не требуется. Астроном может сказать: «Я наблюдал объект с z = 13». И его коллеги выражают восхищение. Это вполне объяснимо, ведь z = 13 соответствует возрасту в 330 миллионов лет после Большого взрыва.
Существуют различные методы определения красного смещения. Традиционный способ заключается в получении спектра объекта, то есть в измерении его яркости на каждой доступной длине волны. Этот метод является наиболее точным, но и самым трудоемким, а также предъявляет высокие требования к качеству наблюдений. Красное смещение, полученное таким образом, называется спектроскопическим.
Существует также более простой метод – фотометрический. Телескоп измеряет яркость галактики, используя несколько светофильтров, например, «синего», «зеленого» и «красного» цветов. Это альтернатива полному разложению света (или инфракрасного излучения) на спектр. Полученные данные также позволяют определить красное смещение, однако с меньшей точностью. Фотометрические значения красного смещения применяются в тех случаях, когда невозможно провести спектроскопический анализ.
Ненужный пьедестал
Часто журналисты не обращают внимания на подобные нюансы, упрощая ситуацию, как это делала героиня Гоголя, прикладывая губы Никанора Ивановича к носу Ивана Кузьмича. По данным некоторых публикаций в СМИ, недавно открытая галактика UNCOVER-z12 занимает четвертое место по расстоянию от Земли (z = 12,39), а ее «сосед» UNCOVER-z13 и вовсе находится на втором месте (z = 13,08). Лидирует же галактика JADES-GS-z13-0 с показателем z = 13,2, открытая все тем же «Уэббом».
Между тем в научной статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters, UNCOVER-z13 называется лишь кандидатом в галактики. Наблюдатели выражаются так, когда не вполне уверены, что именно они видят, а это в астрономии случается сплошь и рядом. Может быть, UNCOVER-z13 вообще не реальный объект, а плод ошибки в обработке данных.
Красное смещение объекта JADES-GS-z13-0, признанного «чемпионом», было измерено спектроскопическим методом, что подтверждает его достоверность. В то время как у «серебряного призера» UNCOVER-z13, красное смещение определено фотометрическим способом, что указывает на менее точные измерения. Поэтому, объединение таких различных данных в единый рейтинг не представляется целесообразным.
На первое место претендуют не только JADES-GS-z13-0, но и галактика HD1 имеет спектроскопический параметр z, равный 13,27. С точки зрения формальной классификации, именно этот объект должен считаться первым. Тем не менее, потенциальные ошибки в определении z создают определенные сложности. Исследователи, безусловно, оценивают погрешность своих измерений, однако иногда занижают ее значение.
Астрономов вряд ли волнуют рейтинги и признание. Наука не соревнование, а чем больше информации о прошлом Вселенной, тем ценнее, а споры о лучших открытиях не имеют большого значения.
Крайне важно осознавать, что большая часть зарегистрированных «Уэббом» красных смещений имеет фотометрическую природу. Фотометрическое красное смещение значительно менее точно, чем спектроскопическое, и может быть подвержено существенным искажениям. В частности, оно способно демонстрировать значения z, превышающие 12, при фактических значениях z менее 5. Подобные искажения, вызванные, например, большим количеством пыли в галактике или аномально интенсивным излучением в определенных диапазонах длин волн, уже наблюдались и с использованием «Уэбба».
Разрушитель теорий
Если предположить, что большинство недавно обнаруженных галактик на самом деле находятся на таких огромных расстояниях, как указывают фотометрические измерения, то космологическая модель сталкивается с серьезными проблемами.
В начале 2023 года в Nature вышла статья, авторы исследования изучили «уэббовские» галактики с фотометрическим красным смещением от 7,4 до 9,1, что соответствует периоду от 500 до 700 миллионов лет после Большого взрыва. Полученные результаты указывают на то, что в то время массивные галактики формировались гораздо чаще, чем это прогнозируют современные модели.
Возможно, наше представление о формировании галактик неполное? Эта область космологии остается крайне неясной и сложной. В отличие от этого, природа реликтового излучения или, например, происхождение химических элементов изучены гораздо лучше.
На этот вопрос отвечает работа Работа Майкла Бойлана-Колчина была опубликована в Nature Astronomy. Исследователь не опирался на какую-либо конкретную теорию формирования галактик. Вместо этого он руководствовался основными принципами общепринятой модели, описывающей строение и эволюцию Вселенной — ΛCDM-космологии. К ним, в частности, относятся следующие положения: значительную часть вещества во Вселенной составляет темная материя, состоящая из частиц, природа которых пока неизвестна науке – это не протоны, не электроны и так далее. Эти частицы, за редчайшими исключениями, взаимодействуют друг с другом и с обычным веществом исключительно посредством гравитации.
Третья составляющая Вселенной — темная энергия. Она отличается как от обычного вещества, так и от темного вещества и не оказала существенного влияния на формирование первых галактик. Строго говоря, ни один из этих утверждений не имеет окончательных доказательств. Однако, большинство космологов полагают, что это наиболее вероятное объяснение наблюдаемым характеристикам Вселенной. Или, возможно, стоит сказать: так считалось до запуска телескопа «Уэбб»?
Бойлан-Колчин выделил проблему: космический телескоп «Уэбб» зафиксировал аномально большое количество ярких галактик при фотометрических z = 7-10 (в период от 500 до 800 миллионов лет после Большого взрыва). Возможная причина таких результатов – погрешность наблюдений (эксперт перечислил факторы, которые могли привести к завышению «Уэббом» красного смещения и (или) светимости галактик). Однако, если данные оказались достоверными, то как их интерпретировать? Исследователь продемонстрировал, что стандартная космологическая модель ΛCDM предполагает лишь один вариант объяснения. Необходимо предположить, что в то время более 60 процентов обычной, а не темной, материи находилась в виде звезд, а не в виде межзвездного и межгалактического газа. В то же время, в наблюдаемой нами Вселенной ситуация иная: доля звезд в обычной материи составляет лишь 10-20 процентов. Трудно понять, что могло привести к многократному увеличению этого показателя в ранней Вселенной. Подтверждение такого предположения означало бы объяснение одной загадки с помощью ещё более необычной гипотезы.
А ведь z = 10 — далеко не предел. Авторы работы, предварительные данные, не прошедшие рецензирование, указывают на существование галактики, сформировавшейся в первые 220 миллионов лет после Большого взрыва (фотометрическое z = 17). Эти показатели впечатляют. От первых признаков жизни на Земле до появления многоклеточных организмов потребовалось около двух миллиардов лет. А галактика со звездной массой, равной пяти миллиардам солнечных, возникла в десять раз быстрее? Подобные результаты противоречат практически любой модели ранней эволюции галактик, соответствующей ΛCDM-космологии. (Несмотря на сдержанный тон научной статьи, чувствуется эмоциональный отклик!) Однако все это справедливо при условии, что красное смещение и масса галактики определены корректно. Исследователи акцентируют внимание на возможности погрешности и рассматривают сценарий с z = 5.
Жар открытия или холодный душ?
В каждой научной работе, посвященной несоответствию результатов «Уэбба» с космологическими теориями, постоянно повторяется: «Если красные смещения будут подтверждены спектроскопическим анализом». Учитывая ненадежность фотометрических значений красного смещения, целесообразно ли сейчас вести дискуссии о новой космологии?
Обвинять несоответствия в данных на ошибки наблюдений не позволяет тот факт, что «незаконных» объектов зафиксировано слишком много. Всего за первые месяцы работы телескоп «Уэбб» выявил десятки кандидатов в галактики с фотометрическим красным смещением, превышающим 10 (что соответствует возрасту менее 450 миллионов лет после Большого взрыва). Маловероятно, что все эти объекты являются ошибочными. Возникает вопрос, не является ли фотометрический метод оценки красного смещения непригодным для определения параметров столь тусклых галактик, какие наблюдает «Уэбб».
Нельзя отвергать такую возможность. Ученые знают, что для регистрации слабого сигнала недостаточно просто использовать чувствительное оборудование. Чем слабее сигнал, тем больше разнообразных помех, которые могут его исказить. Студентов-физиков учат, что при взвешивании образца на высокоточных весах необходимо учитывать эффект Архимеда, возникающий в воздухе. Исследователи, регистрирующие гравитационные волны на установках LIGO и VIRGO, вынуждены учитывать даже тепловое движение молекул в зеркалах. Телескоп «Уэбб» открывает совершенно новую область исследований, и существует вероятность того, что Вселенная приготовила для внимательных наблюдателей неожиданные открытия. Галактику нельзя рассматривать как механизм, состоящий из отдельных элементов, чтобы определить причину ее неисправности.
Если фотометрические данные, полученные с помощью телескопа «Уэбб», получат подтверждение, то в стандартной космологической модели ΛCDM потребуются корректировки. Вероятно, изменения затронут таинственные компоненты Вселенной — темную материю и темную энергию. К счастью, существует множество альтернативных теорий, объясняющих их природу.
Обычно подобные теории демонстрируют худшее соответствие с большинством наблюдаемых данных, чем модель ΛCDM – это объясняет её высокую репутацию. Тем не менее, среди множества гипотез могут скрываться зачатки новой космологической картины. Однако, прежде чем приступать к их поиску, стоит проявить терпение и дождаться результатов спектроскопических исследований.