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

Исследователи исследовали три загадочных объекта в ранней Вселенной. Здесь показаны их цветные изображения, составленные из трех полос фильтров NIRCam на борту космического телескопа Джеймса Уэбба. Они удивительно компактны на красных длинах волн (за что их называют «маленькими красными точками»), и есть некоторые свидетельства пространственной структуры на синих длинах волн. Автор: Bingjie Wang/Penn State; JWST/NIRSpec.

Недавнее открытие космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (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 Вселенная составляла всего 5% его нынешний возраст. Они объявили об открытии сегодня, 27 июня, в Astrophysical Journal Letters.

Команда изучила спектральные измерения или интенсивность света различной длины, излучаемого объектами. Их анализ обнаружил признаки «старых» звезд возрастом в сотни миллионов лет, которые намного старше, чем ожидалось, в молодой Вселенной.

«Мы подтвердили, что они, похоже, заполнены древними звездами возрастом в сотни миллионов лет во Вселенной, которой всего 600–800 миллионов лет. Примечательно, что эти объекты являются рекордсменами по самым ранним следам старого звездного света», — сказал Бинцзе Ван, научный сотрудник Пенсильванского университета 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 JWST опубликовал первоначальный набор данных. Несколько месяцев спустя команда опубликовала статью в журнале Nature, в которой объявила о существовании объектов.

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

Затем исследователи использовали новые данные, чтобы составить более четкое представление о том, как выглядели 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 Леха, доцент кафедры астрономии и астрофизики Пенсильванского университета и соавтор обеих статей. «Вы можете сделать это неудобно вписывающимся 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, которые я когда-либо видел. видел в своей карьере».

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 на начало Вселенной, какой мы ее знаем, сказала 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, объяснил Ван, пока неясно, какая часть наблюдаемого света исходит от каждой из них. больше галактик нормальной массы со «сверхмассивными» черными дырами, примерно в 100–1000 раз более массивными, чем такая галактика могла бы иметь сегодня.

«Различить свет от материала, падающего в черную дыру, и свет, излучаемый звездами в этих крошечных, далеких объектах, сложно», — сказал Ван. «Эта неспособность обнаружить разницу в текущем наборе данных оставляет достаточно места для интерпретации этих интригующих объектов. Честно говоря, очень здорово, что так много этой загадки еще предстоит выяснить».

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 подобные объекты, изучаемые с помощью других инструментов, лишены характерных признаков сверхмассивных черных дыр, таких как горячая пыль и яркое рентгеновское излучение. Но, возможно, самое удивительное, по словам исследователей, это то, насколько они массивны.

«Обычно сверхмассивные черные дыры соединяются 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 молодой галактикой. На самом деле это не имеет смысла, потому что эти вещи должны расти вместе. или, по крайней мере, мы так думали».

Лея объяснила, 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.

«Эти ранние галактики были бы очень плотными со звездами — звездами, которые, должно быть, сформировались таким образом, которого мы никогда не видели, в условиях, которых мы никогда не ожидали бы в период, когда мы никогда не ожидали бы 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 получить дополнительные 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 распутать излучение звезд и потенциальной сверхмассивной черной дыры путем выявления конкретных сигнатур поглощения, которые будут присутствовать в каждой из них.

«Есть еще один способ добиться прорыва, и это правильная идея», — сказала Лея. «У нас есть все эти кусочки головоломки, и они подходят только в том случае, если мы игнорируем тот факт, что некоторые из них ломаются. Эта проблема поддается гениальному удару, который до сих пор ускользал от нас, всех наших сотрудников и всего научного сообщества».

Больше информации: 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

Источник: Pennsylvania State University