Столкнувшись с наблюдениями за ранними черными дырами и галактиками, существование которых не предполагалось, ученые выдвинули множество новых теорий для их объяснения. Теперь им остается только выяснить, какие из них верны.
Когда Шарлотта Мейсон размышляет о космических тайнах, она любит рисовать. «Я довольно визуал, — говорит она. — Обычно я рисую много картинок, пытаясь понять, что происходит». Мейсон, астрофизик из Центра космических исследований «Космик Дон» в Копенгагене, в последнее время заполняет страницы набросками «маленьких красных точек» — загадочных объектов, обнаруженных сотнями на снимках космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). Маленькие красные точки никогда не были видны до того, как телескоп заработал в 2022 году. Но теперь мы знаем, что они начали появляться в значительном количестве примерно через 650 миллионов лет после Большого взрыва. Эти точки — лишь одна из захватывающих загадок, которые удалось разгадать благодаря наблюдениям «Джеймса Уэбба» за ранней Вселенной.
Среди других загадок — черные дыры, которые кажутся невероятно большими для своего возраста, а также древние галактики, которые бросают вызов нашим представлениям о первом миллиарде лет после Большого взрыва. Поначалу ученые были поражены: Вселенная, которую увидел «Джеймс Уэбб», просто не укладывалась в наши представления об астрофизике. Теперь появилось множество новых теорий, предлагающих заманчивые решения, но вопрос о том, какая из них соответствует действительности, остается открытым. Согласно недавним предположениям, маленькие красные точки могут быть черными дырами, окутанными плотным слоем газа. Возможно, это совершенно новый тип объектов, так называемые звезды-черные дыры, в которых плотный газовый слой излучает свет, как звездная атмосфера. «Это моя черная дыра, — сказала Мейсон, нарисовав маленький круг и закрасив его. — Я могла бы добавить к ней диск, потому что мы думаем, что часть излучения исходит именно от него». Она провела линию через центр круга. «Тогда, по наивной гипотезе, вокруг черной дыры должно быть плотное газовое облако». Она нарисовала вокруг объекта круг побольше. Но Мейсон считает, что за этими космическими загадками может скрываться нечто большее. Недавно она и ее коллеги проанализировали спектр света, излучаемого одной маленькой красной точкой. Если предположение о плотном облаке верно, то часть света должна была измениться при прохождении через газ, но этого не произошло.
«Что мне теперь делать? Начать сначала. Но теперь, если я сделаю свой газ комковатым, — сказал Мейсон, рисуя новую схему с отверстиями в облаках, окружающих черную дыру, — я смогу получить [сигнал], который будет выглядеть более четким». По всему миру такие исследователи, как Мейсон, с энтузиазмом собирают воедино данные, полученные с помощью «Джеймс Уэбб», чтобы составить более четкое представление о зарождении нашей Вселенной. И подобно фотонам, которые преодолевают миллиарды световых лет, чтобы добраться до нас, новые фрагменты постоянно встают на свои места.
Бездонные ямы Вселенной
История черных дыр стала еще более запутанной благодаря телескопу «Джеймс Уэбб», который продолжает обнаруживать древние черные дыры, которые слишком велики, чтобы их можно было объяснить с помощью существующих теорий. Вскоре после Большого взрыва Вселенная была практически однородной и гладкой. Затем, всего несколько сотен миллионов лет спустя, «мы уже видим, как растут черные дыры размером с миллиард солнц», — говорит Дженни Грин, астрофизик из Принстонского университета. — Чтобы они так быстро увеличились, нужно постараться.
Ученые рассматривают два ключевых фактора, влияющих на размер черной дыры: насколько массивным было «семя» черной дыры в момент своего возникновения и как быстро оно росло после этого. Но сложно объяснить, как черные дыры либо формировались уже достаточно большими, либо росли достаточно быстро, чтобы в ранние космические эпохи их масса в миллиард раз превышала массу Солнца. В современной Вселенной черные дыры образуются, когда ядро массивной звезды исчерпывает топливо и коллапсирует. Учитывая, что первые звезды были довольно массивными, они могли оставить после себя зародыши черных дыр массой до 100 солнечных, говорит Грин. «Мы знаем, что такое происходит, но на самом деле очень, очень сложно так быстро довести их массу до миллиарда, — сказала она. — Их нужно буквально насильно пичкать».
Исторически сложилось так, что ученые считали, что существует жесткий предел скорости роста черных дыр. По мере того как вещество падает в черную дыру, оно нагревается, вращаясь вокруг нее, как вода, стекающая в канализацию. Излучение, которое испускает этот «аккреционный диск», отталкивает падающее вещество, не давая черной дыре поглотить его. Этот предел поглощения, называемый пределом Эддингтона, должен препятствовать тому, чтобы черные дыры увеличивались в десятки миллионов раз за отведенное время. Однако недавние компьютерные симуляции показывают, что у черных дыр может быть своего рода лазейка. Если аккреционный диск раздувается нужным образом, поступающий газ может преодолеть давление излучения. Такая «сверхэддингтоновская» аккреция приведет к тому, что газ будет поступать в черную дыру с невероятной скоростью. Тем не менее астрономы не знают, хватило бы газа для образования самых больших черных дыр. Некоторые исследователи полагают, что в древних плотных звездных скоплениях могло образоваться множество зародышей черных дыр, которые быстро слились друг с другом.
А может быть, сверхмассивные черные дыры вообще никогда не были звездами. В этом случае колоссальные газовые облака погрузились бы прямо в черную дыру. Этот механизм «прямого коллапса» может привести к образованию черной дыры массой примерно в 10 000 раз больше массы Солнца. «Проблема теории прямого коллапса в том, что для ее реализации нужны идеальные условия», — говорит Грин. Чтобы теория прямого коллапса сработала, гигантское облако должно сжаться в черную дыру целиком, без разделения на более мелкие облака, из которых могли бы сформироваться звезды. Для этого требуется определенный химический состав газа, а облако должно медленно вращаться. «Когда люди пытаются смоделировать это на компьютере, они могут создать черные дыры с прямым коллапсом, но их не хватит, чтобы объяснить все наблюдаемые нами черные дыры», — сказал Грин. Каждая из этих теорий имеет свои доказательства. В 2024 году «Джеймс Уэбб» зафиксировал, как черная дыра, образовавшаяся примерно через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, поглощает вещество со скоростью, примерно в 40 раз превышающей предел Эддингтона. Если черные дыры, образовавшиеся в более ранние периоды космического времени, тоже поглощали вещество таким образом, то, возможно, самые большие из них изначально были относительно небольшими.
Моделирование формирования галактики в первые 550 миллионов лет после Большого взрыва. Панели слева направо изображают темную материю, газ и звезды. Зак Андалман/Принстонский университет. Однако недавно исследователи внимательно изучили маленькую красную точку, возникшую примерно через 750 миллионов лет после Большого взрыва, которая находится в гравитационном линзе скопления галактик на переднем плане. Они пришли к выводу, что объект представляет собой «голую» сверхмассивную чёрную дыру, масса которой примерно в 50 миллионов раз превышает массу Солнца, и вокруг неё нет заметных звёзд. Если эта оценка массы верна, то можно предположить, что чёрная дыра образовалась из большого зародыша, возможно, в результате прямого коллапса, ещё до появления какой-либо галактики. «Очевидно, что в процессе роста черных дыр есть различия, которые мы пока не до конца понимаем, — сказал Грин. — Поэтому для меня самое интересное сейчас — это попытаться понять, в чем эти различия заключаются на физическом уровне».
Формирование галактики
Как и ранние черные дыры, которые кажутся слишком большими, многие ранние галактики, обнаруженные телескопом «Джеймс Уэбб», кажутся слишком яркими. Чтобы понять почему, исследователи пересматривают свои представления о том, как формируются галактики. Примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва новорожденная Вселенная была маленькой, плотной и горячей по сравнению с тем, какой она является сегодня. По мере ее расширения и охлаждения темная материя сливалась в огромные сгустки, которые ученые называют гало. Гравитация этих бесцветных гало притягивала водород и гелий, образуя огромные нити, которые собирались в ядрах окружающих их темных орбит. Когда накопилось достаточно газа, экстремальное давление привело к термоядерному синтезу и зажгло первые звезды, которые объединились в первые галактики.
Астрономы обычно описывают время этих событий с точки зрения красного смещения, то есть того, насколько свет от ранних объектов растянулся из-за космического расширения. «До красного смещения 15 [270 миллионов лет после Большого взрыва] происходит не так много событий, а затем вдоль этих нитей начинает поступать большое количество газа», — говорит Рэйчел Сомервилл, старший научный сотрудник, изучающая формирование галактик в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Она представляла результаты нового компьютерного моделирования на конференции в апреле 2026 года в Хельсингёре, Дания. В конференц-зале с видом на пролив между Балтийским и Северным морями собрались более 100 исследователей со всего мира, чтобы обсудить загадки младенчества Вселенной. На экране проектора танцевали красочные изображения темной материи, газа и звездного света. «Примерно при красном смещении 11 [420 миллионов лет назад] скорость звездообразования начинает расти, — продолжила она. — При красном смещении 9 [550 миллионов лет назад] мы получаем красивую галактику».
Звездные скопления сливаются, образуя галактику, примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Джеймс Сансери/Принстонский университет
Галактика на экране относится к раннему периоду, но самая древняя галактика, обнаруженная телескопом «Джеймс Уэбб», существовала всего через 280 миллионов лет после Большого взрыва.Удивительное открытие телескопом ярких галактик раннего периода поначалу заставило некоторых ученых предположить, что наше понимание фундаментальной космологии — законов, управляющих поведением энергии и материи в ранней Вселенной, — может быть ошибочным. Однако после нескольких лет изучения этих примитивных объектов у теоретиков появилось несколько моделей, объясняющих их яркость и распространенность. «Мы почти перешли от ситуации, когда у нас было слишком много ранних галактик, к ситуации, когда у нас слишком много теорий для их объяснения», — сказал Сомервилл собравшимся. Возможно, первые галактики преобразовывали газ в звезды более эффективно, чем считалось ранее. Или в них периодически происходили всплески звездообразования, вызванные турбулентностью. Или, может быть, в ранних областях звездообразования преимущественно формировались массивные, чрезвычайно яркие звезды. Многие астрофизики считают, что развитию галактик способствовало сочетание этих и, возможно, других факторов.
Мы почти перешли от проблемы слишком большого количества ранних галактик к проблеме слишком большого количества теорий для их объяснения. Рэйчел Сомервилл — Институт Флэтайрон. Чтобы проверить эти новые идеи, исследователи изучают раннюю Вселенную с помощью моделирования. «С момента запуска телескопа «Джеймс Уэбб», особенно за последний год, был достигнут действительно значительный прогресс в области численного моделирования», — сказала Сомервилл участникам конференции, добавив, что эти новые методы моделирования «возможно, более подходят и информативны для интерпретации наблюдений во Вселенной с высоким красным смещением». По мере совершенствования этих моделей «Джеймс Уэбб» фотографирует все больше и больше галактик. Сравнивая то, что он видит в ранней Вселенной, с результатами моделирования, которое пытается объяснить происходящее, исследователи постепенно приближаются к раскрытию истинной природы «космического рассвета». «Мы можем попытаться сопоставить наблюдаемую галактику с ее лучшим аналогом в симуляции, — говорит Хаким Атек — астрофизик из Парижского института астрофизики при Университете Сорбонна. — После того как вы найдете наилучшее соответствие, вы сможете изучить историю звездообразования, потому что в симуляции у вас есть доступ ко всей истории галактики».
Недавно с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона (Mid-Infrared Instrument; MIRI) космического телескопа «Джеймс Уэбб» удалось получить интригующую информацию. Это переохлажденное устройство способно разделять свет от удаленных объектов. MIRI показал, что ранние галактики не обладают теми характеристиками, которые предполагали ученые.
«Главный сюрприз — это разнообразие свойств галактик, которые мы наблюдаем в ранние эпохи, — сказал Атек. — Казалось бы, они должны быть одинаковыми».
Такое разнообразие может свидетельствовать о том, что звездообразование происходило скачкообразно, поскольку галактики переживали периоды слияния звезд, которые взрывались и выбрасывали газовые облака, останавливая процесс звездообразования, а затем газ снова собирался и запускал новую волну звездообразования. «Некоторые из них, похоже, очистили всю окружающую их межзвездную среду от газа и пыли. Как будто смотришь только на голые звезды, — сказал Атек. — Другая галактика — полная противоположность. В ней много газа». Еще одна подсказка — группа галактик с избытком азота. Наличие этого элемента говорит о том, что в ранней Вселенной могло быть много особенно массивных звезд. Согласно компьютерному моделированию, эти массивные звезды генерируют избыток азота, прежде чем взорваться в виде сверхновых и рассеять этот элемент по галактикам, в которых они находятся. Когда-нибудь исследователи смогут составить полную картину формирования галактик. А пока они будут продолжать изучать следы в новых наблюдениях и моделях.
Загадка существования
Как только включились астральные огни, Вселенная преобразилась. Излучение от ранних галактик и черных дыр ионизировало море нейтрального водорода, образовав огромные пузыри среди космической дымки. Исследователи называют этот период реионизацией, поскольку это был второй случай ионизации Вселенной. Он ознаменовал конец космической темной эпохи, когда в туманной бездне не было звезд.
По теме:
- «Прекрасная путаница» первого миллиарда лет становится видимой
- Надежды на открытия, связанные с Большим взрывом, возлагаются на будущий космический аппарат
- «Рубин» отслеживает астероиды размером с небоскреб, несостоявшиеся сверхновые и межзвездных гостей
Первые звезды, которые, как считается, были в сотни или тысячи раз массивнее Солнца, яростно расходовали водородное и гелиевое топливо и взрывались мощными сверхновыми, заселяя Вселенную новыми элементами, такими как углерод, азот, кислород, фосфор и железо — из чего состоят планеты и жизнь. Во многих смыслах эти первые звезды — матери Вселенной. «Мы оглядываемся на то, что нас создало», — говорит Лиз Кристенсен — астрофизик из Центра космических исследований. Вполне закономерно, что недавняя конференция, посвященная происхождению Вселенной, прошла в Хельсингёре, недалеко от замка, который вдохновил Шекспира на создание Эльсинора в «Гамлете».
В пьесе датский принц сетует: Этот смелый
небесный свод, эта величественная крыша, испещренная
золотым огнем, — почему же мне она кажется
не чем иным, как мерзким и губительным скоплением испарений?
Что за чудо этот человек, как благороден он в
разуме, как безграничны его способности
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
и все же, что для меня эта квинтэссенция праха?
Несмотря на то, что это мрачное размышление о бытии — Вселенная как «мерзкое и гнилое сборище паров», человечество как «квинтэссенция праха», — теперь мы понимаем, что описание Гамлета более научно точное, чем мог знать Шекспир. На самом деле мы состоим из элементов, образовавшихся в звездах и выброшенных в пустоту в виде газа и пыли.
Однако, в отличие от Гамлета, который слоняется без дела в Эльсиноре, ученые, изучающие происхождение Вселенной, воодушевлены этими космическими истоками.
Примечание редактора: Институт Флэтайрон финансируется Фондом Саймонса, который также финансирует этот редакционно независимый журнал. Решения Фонда Саймонса о финансировании не влияют на наши публикации.