Телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил скрытую массу ранних галактик

Скрытая масса в ранней Вселенной: как наблюдения за рождением звезд с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» бросают вызов космологии

Новые наблюдения, проведенные с помощью James Webb Space Telescope (JWST), выявили массивные галактики в ранней Вселенной, которые, по всей видимости, эволюционируют гораздо быстрее, чем позволяют современные космологические модели. Проанализировав «начальную функцию масс» (НФМ) — математическое распределение масс звезд при их рождении — исследователи обнаружили, что эти далекие структуры содержат избыток маломассивных звезд. Это открытие указывает на то, что данные галактики обладают массой, в четыре раза превышающей предыдущие оценки. Это позволяет предположить, что «скрытая масса» в ранней Вселенной — это не просто вопрос невидимых черных дыр или пыли, а фундаментальное непонимание того, как рождаются звезды в экстремальных условиях. Данный вывод усиливает существующее противоречие между данными наблюдений и нашей теоретической базой того, как космос приобрел свою нынешнюю форму.

Парадокс ранних массивных галактик и телескоп «Джеймс Уэбб»

С момента своего запуска James Webb Space Telescope не перестает удивлять астрономов, обнаруживая массивные, зрелые галактики всего через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Согласно стандартной модели Лямбда-CDM (LCDM), галактики должны были наращивать свою массу постепенно на протяжении миллиардов лет путем слияний и медленной аккреции газа. Однако обнаружение галактик, которые уже являются «спокойными» (то есть завершили основную фазу звездообразования) при красных смещениях, соответствующих младенчеству Вселенной, представляет собой значительный парадокс. Эти «невозможно ранние» галактики, похоже, миновали ожидаемые сроки космической эволюции, представ гигантами в тот период, когда ожидалось увидеть лишь «космических младенцев».

Это расхождение между наблюдаемыми размерами галактик и прогнозами современных моделей формирования привело к тому, что многие называют «кризисом космологии». Хотя некоторые исследователи предполагали, что масса этих галактик может быть завышена из-за присутствия скрытых пылью сверхмассивных черных дыр (часто называемых «маленькими красными точками»), новое исследование указывает на иной источник «скрытой массы». Эта проблема является центральной для разгадки тайны ранней Вселенной: если эти галактики действительно так массивны, как кажутся, или даже более того, эффективность звездообразования в ранней Вселенной должна была быть радикально выше, чем все, что мы наблюдаем в нашей локальной области космоса.

Дешифровка начальной функции масс: ключ к взвешиванию звезд

Чтобы понять массу галактики, астрономы полагаются на начальную функцию масс (НФМ). НФМ — это, по сути, соотношение массивных и маломассивных звезд, рожденных в ходе одного события звездообразования. Исторически астрономы исходили из предположения, что НФМ Млечного Пути универсальна. В нашей собственной галактике на каждую рожденную массивную короткоживущую звезду приходятся сотни маломассивных звезд, таких как наше Солнце или еще более мелкие красные карлики. Однако маломассивные звезды крайне трудно обнаружить на космических расстояниях; они тусклые, и их легко затмевают их массивные светящиеся собратья. Следовательно, общая масса далеких галактик обычно вычисляется путем наблюдения за светом ярких звезд и экстраполяции количества невидимых маломассивных звезд на основе «Стандартной модели» Млечного Пути.

«Тяжелая в нижней части» (bottom-heavy) начальная функция масс относится к такому распределению звездных масс, которое благоприятствует этим маломассивным звездам, с более высокой долей звезд массой от 0,1 до 0,3 солнечных масс и более крутым наклоном в области малых масс. Это контрастирует с «тяжелыми в верхней части» (top-heavy) НФМ, которые производят большее количество массивных звезд. Это различие критически важно, поскольку маломассивные звезды, будучи тусклыми, со временем составляют основную часть звездной массы галактики. Если далекая галактика имеет НФМ с преобладанием маломассивных звезд, это означает наличие значительного количества «скрытой» массы, которая почти не вносит вклада в видимый свет, но существенно увеличивает гравитационное притяжение и общий бюджет материи галактики.

Программа JWST-IMFERNO: новая измерительная линейка для телескопа «Джеймс Уэбб»

Чтобы выяснить, остается ли НФМ неизменной на протяжении космического времени, группа исследователей, в которую вошли Alice E. Shapley, Gabriel Brammer и Katherine A. Suess, воспользовалась амбициозной программой JWST-IMFERNO. Этот проект сфокусирован на ультраглубокой спектроскопии, позволяющей ученым видеть тонкие спектральные сигнатуры, оставленные различными популяциями звезд. Объединив эти наблюдения James Webb Space Telescope с глубокими спектрами обзора LEGA-C, который расширяет данные в сторону более коротких (синих) длин волн, команда проанализировала девять массивных спокойных галактик при красном смещении примерно z~0,7 (около 7 миллиардов лет назад).

Методология заключалась в поиске специфических линий поглощения в свете галактик, которые чувствительны к присутствию маломассивных звезд. В отличие от предыдущих исследований, опиравшихся на косвенные показатели, высокое разрешение и чувствительность James Webb Space Telescope позволили впервые провести надежные измерения НФМ за пределами локальной Вселенной. Тщательно моделируя свет этих девяти галактик, исследователи смогли «взвесить» вклад звезд, которые в противном случае были бы слишком тусклыми, чтобы увидеть их по отдельности, что позволило напрямую заглянуть в звездные колыбели далекого прошлого.

Вселенная с преобладанием маломассивных звезд и четырехкратное увеличение массы

Результаты исследования оказались сенсационными. Исследователи обнаружили, что в этих далеких массивных галактиках концентрация маломассивных звезд гораздо выше, чем в Млечном Пути, — это означает, что они обладают значительно более «тяжелой в нижней части» НФМ. Для двух старейших галактик в выборке, которые считаются прямыми потомками «невозможно ранних» галактик, наблюдаемых при еще более высоких красных смещениях, такая НФМ подразумевает, что их звездные массы на самом деле в три-четыре раза выше, чем предполагали предыдущие оценки. Эти результаты указывают на то, что «скрытая масса» в этих системах является не результатом ошибки наблюдений, а фундаментальной характеристикой их формирования.

Это четырехкратное увеличение массы говорит о том, что формирование галактик в ранней Вселенной, вероятно, было гораздо более эффективным, чем считалось ранее. Это подразумевает, что газ превращался в звезды стремительными темпами, а термодинамика ранней Вселенной — возможно, обусловленная более высокой металличностью или иными радиационными обратными связями — благоприятствовала производству небольших долгоживущих звезд. Это открытие помогает ответить на вопрос о том, сколько массы скрыто в ранней Вселенной: в то время как предыдущие теории указывали на явления, скрытые пылью, данное исследование подчеркивает, что огромная часть «недостающего» материала просто заключена в тусклых популяциях маломассивных звезд.

Последствия для стандартной модели космологии

Эти выводы значительно усиливают противоречие со стандартной моделью космологии. Если ранние галактики уже были в три-четыре раза массивнее, чем мы думали, задача объяснения того, как они собрали так много материи так быстро, становится еще более сложной. Доказывает ли это открытие ошибочность Стандартной модели? Не обязательно. Хотя эти результаты бросают вызов аспектам формирования галактик и структур в рамках модели Lambda-CDM, они пока не противоречат основным столпам Большого взрыва или космического расширения. Вместо этого они предполагают, что модель требует значительной доработки, особенно в том, как мы моделируем петли обратной связи между газом, темной материей и звездообразованием.

Данные указывают на то, что в наших текущих симуляциях отсутствует ключевой фрагмент пазла относительно того, как эволюционирует природа этих галактик с преобладанием маломассивных звезд. Если НФМ не универсальна, то каждый расчет массы в истории Вселенной — от первых звезд до галактик, которые мы видим сегодня — должен быть пересмотрен. Проблема «невозможно ранних галактик» теперь связана не только с тем, когда эти галактики появились, но и с поразительной эффективностью, с которой они превращали первичный газ в обширную плотную популяцию звезд.

Будущие направления картирования истории рождения звезд

Программа JWST-IMFERNO представляет собой лишь начало новой эры галактической археологии. Будущие шаги для James Webb Space Telescope будут включать картирование НФМ на еще больших расстояниях и для более разнообразных типов галактик. Исследователи стремятся определить, является ли преобладание маломассивных звезд, наблюдаемое при z~0,7, особенностью всех массивных галактик или же оно характерно только для тех, что сформировались в наиболее плотных регионах ранней Вселенной. Раздвигая границы спектроскопии, астрономы надеются найти «точку перехода», где НФМ смещается от массивных безметалльных звезд первого поколения к разнообразным популяциям, которые мы видим сегодня.

По мере того как научное сообщество осмысливает эти результаты, основное внимание будет уделено обновлению космологических симуляций с учетом этих массивных и эффективных ранних очагов звездообразования. «Скрытая масса», выявленная James Webb Space Telescope, служит напоминанием о том, что Вселенная все еще хранит секреты в своих самых фундаментальных строительных блоках — самих звездах. Понимание массы этих звезд при рождении — это не просто упражнение в звездной физике; это жизненно важный шаг в раскрытии подлинной биографии нашего космоса.