Странные объекты, "слишком массивные для ранней Вселенной", озадачивают ученых

Недавние наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) показали наличие трех странных, чрезвычайно массивных объектов в ранней Вселенной, примерно через 600-800 миллионов лет после Большого взрыва. Их спектральная сигнатура соответствует скоплениям сверхплотных звезд, в которых потенциально могут находиться сверхмассивные черные дыры, что противоречит ожиданиям от ранней Вселенной.

В 2022 году группа астрофизиков обнаружила три чрезвычайно массивных объекта, датируемых периодом от 600 до 800 миллионов лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял всего 5% от ее нынешнего возраста. Изучив их спектры, исследователи обнаружили признаки примитивных звезд, гораздо более древних, чем это было бы возможно в ранней Вселенной, согласно стандартной космологической модели.

Они также были удивлены, обнаружив признаки чрезвычайно массивных черных дыр, от 100 до 1000 раз более массивных, чем черная дыра в центре нашей галактики. И здесь процесс образования черных дыр и галактик в соответствии со стандартной космологической моделью не совпадает.

"Это очень озадачивает", — сказал Джоэл Лежа, доцент кафедры астрономии и астрофизики и соавтор исследования, в заявлении Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University). "Возможно, нам удастся вписать это в нашу нынешнюю модель Вселенной, но только если мы представим себе экзотическое и невероятно быстрое образование в начале времен", — объясняет он.

Действительно, хотя исследователи изначально предполагали, что это массивные ранние галактики, на самом деле объекты такого типа не должны были образовываться в ранней Вселенной. Процессы обратной связи, вызванные образованием звезд, обычно ограничивают долю барионов (составных частиц, из которых состоит видимая материя) до уровня, намного ниже доли космических барионов. Это означает, что рассматриваемые объекты появились бы раньше, чем предполагалось, и представляли бы собой большую массу, чем ожидалось.

Новое исследование, недавно опубликованное в журнале The Astrophysical Journal Letters, является продолжением этого исследования, направленного на подтверждение истинной природы этих объектов. Ученые установили, что это действительно галактики, расположенные вблизи начала Вселенной и, по-видимому, содержащие гигантские сверхмассивные черные дыры.

"Было совершенно неожиданно обнаружить старые звезды в такой молодой Вселенной. Стандартные модели космологии и формирования галактик оказались невероятно эффективными, но эти светящиеся объекты не совсем вписываются в эти теории", — объясняет ведущий автор исследования Бингджи Ванг (Bingjie Wang).

Маленькие галактики, в которых скрываются "сверхмассивные" черные дыры?

Для проведения наблюдений и анализа ученые использовали спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) на борту JWST и суперкомпьютер Roar в Институте вычислений и наук о данных Университета штата Пенсильвания. NIRSpec - это многообъектный спектрограф, который может одновременно получать спектры более сотни объектов с различным спектральным разрешением. Прибор может работать на расстоянии 13,5 миллиарда лет назад, то есть практически до зарождения Вселенной.

Однако даже при таком разрешении, как у JWST, спектральный анализ столь далекого периода Вселенной представляет собой серьезную проблему, поскольку трудно точно различить объекты-источники. Три объекта, изученные командой, явно демонстрируют характеристики сверхмассивных черных дыр и массивных старых звезд. Однако неизвестно, какая именно доля наблюдаемого света исходит от каждого из этих двух компонентов. Другими словами, трудно отличить свет, исходящий от аккреционного диска черных дыр, от света, излучаемого звездами, из которых состоят изучаемые объекты.

По словам исследователей, полученные данные указывают на то, что это могут быть либо примитивные и чрезвычайно массивные галактики, сформировавшиеся гораздо раньше, чем предсказывают модели, либо галактики стандартной массы с "сверхмассивными черными дырами", примерно в 100-1000 раз более массивными, чем в галактике эквивалентного размера. "Невозможность определить разницу в текущих данных оставляет много возможностей для интерпретации этих интригующих объектов", — говорит Ванг.

Чрезвычайно плотные звездные популяции

Если часть света исходит от сверхмассивных черных дыр, то они тоже не являются обычными сверхмассивными черными дырами. На самом деле они производят гораздо больше ультрафиолетовых фотонов, чем обычные. Ранее были обнаружены другие объекты с подобными фотонными характеристиками, но они не обладают свойствами сверхмассивной черной дыры.

По словам исследователей, самое удивительное — это их невероятно высокая масса. Обычно галактики и сверхмассивные черные дыры в их центре эволюционируют вместе на протяжении всей своей жизни. Однако обнаруженные исследователями черные дыры находятся в центре небольших галактик, когда те уже достигли зрелости и выглядят полностью сформированными. "Это не совсем логично, ведь эти объекты должны эволюционировать вместе, или мы так думали", — говорит Лежа.

Более того, звездное население там настолько плотное, что оно могло сформироваться только в экзотических для того времени условиях. Если перенести эту звездную плотность в нашу галактику, то ближайшая к Земле звезда находилась бы в нашей Солнечной системе, а сверхмассивная черная дыра в ее центре была бы всего в 26 световых годах от нас (по сравнению с 26 000 световых лет в реальности) и была бы видна на небе в виде гигантского столба света. Более того, эти интригующие галактики, по-видимому, характерны для ранней Вселенной, поскольку их формирование явно прекратилось через несколько миллиардов лет по какой-то загадочной причине.

В ближайшем будущем исследователи планируют расширить свои наблюдения, направив телескоп на эти объекты на длительное время. Это позволит им подтвердить, являются ли они примитивными, чрезвычайно массивными галактиками или галактиками с нормальной массой и "сверхмассивными" черными дырами.