Загадочные объекты, обнаруженные в ранней Вселенной, поставили ученых в тупик

Недавнее открытие космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) подтвердило, что очень объекты с большим красным смещением (z ∼ 7–8), обнаруженные в ранней Вселенной, переворачивают традиционные представления о происхождении и эволюции галактик и их сверхмассивных черных дыр.

Международная группа астрономов во главе с исследователями из штата Пенсильвания, используя прибор NIRSpec на борту JWST в рамках исследования RUBIES, идентифицировала три загадочных объекта в ранней Вселенной, которые уже существовали примерно через 600-800 миллионов лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял всего 5% от нынешнего.

Команда изучила спектральные измерения или интенсивность света различной длины, излучаемого объектами. Их анализ обнаружил следы «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 оценкам, они в 100–1000 раз массивнее, чем сверхмассивная черная дыра в Млечном Пути. Ни того, ни другого не ожидается 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 во Вселенной, возраст которой составляет всего 600-800 миллионов лет, находятся «старые» звезды, возраст которых исчисляется сотнями миллионов лет. Примечательно, что эти объекты являются рекордсменами по самым ранним признакам старого звездного света», — говорит Бингджи Ванг (Bingjie Wang), ведущий автор статьи. «Было совершенно неожиданно найти старые звезды в очень молодой Вселенной. Стандартные модели космологии и формирования галактик оказались невероятно успешными, однако эти светящиеся объекты не совсем удачно вписываются в эти теории».

«Это очень запутанно», — говорит Джоэл Лежа, доцент кафедры астрономии и астрофизики Пенсильванского государственного университета и соавтор работы. «Можно заставить это как-то 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 все время своей работы».

Помимо 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, а похожие объекты, изученные с помощью других приборов, не имеют характерных признаков сверхмассивных черных дыр, таких как горячая пыль и яркое рентгеновское излучение. Но самое удивительное, по словам исследователей, это то, насколько массивными они кажутся.

«Обычно сверхмассивные черные дыры образуют пары с галактиками, — говорят ученые. «Они растут вместе и вместе проходят через все свои главные жизненные испытания. Но здесь мы имеем полностью сформировавшуюся взрослую черную дыру, живущую 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 маленькими размерами этих систем, всего лишь несколькими сотнями световых лет в поперечнике, что примерно в 1000 раз меньше Млечного Пути. Звезд примерно столько же, сколько в нашей галактике Млечный Путь — где-то от 10 миллиардов до 1 триллиона звезд — но они занимают объем, в 1000 раз меньший, чем Млечный Путь.

Ученые объяснили, что если взять Млечный Путь и сжать его до размеров обнаруженных ими галактик, ближайшая к нам звезда окажется практически в 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 было так много звезд — звезд, которые, должно быть, образовались так, как мы никогда не видели, в условиях, которых мы никогда не ожидали, в период, когда мы никогда не ожидали их увидеть», — говорит Джоэл Лежа. «По какой-то причине Вселенная перестала создавать подобные объекты всего через пару миллиардов лет. Они уникальны именно для ранней Вселенной».

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

Исследование было опубликовано в Astrophysical Journal Letters.