В далекой-далекой галактике. Могут ли данные с телескопа «Джеймс Уэбб» изменить представление о космосе

Слишком большие галактики

25 декабря 2021 года в рамках совместного проекта Европейского космического агентства, NASA и Канадского космического агентства на орбиту был запущен сверхмощный телескоп. Космическая инфракрасная обсерватория «Джеймс Уэбб» может похвастаться самым большим на орбите диаметром зеркала (пусть и не цельного, а состоящего из 18 сегментов) — 6,5 метров. При помощи таких обсерваторий человечество по сути может заглянуть в прошлое Вселенной. Дело в том, что чем дальше от нас находится объект, тем дольше испускаемый свет идет от него. Поэтому Солнце мы видим таким, каким оно было 8,5 минут назад, а дальние галактики предстают перед нами такими, какими они были миллионы, а то и миллиарды лет назад — в зависимости от того, на сколько световых лет они удалены от наблюдателя. 

Чтобы аппарат начал присылать данные, потребовалось два десятилетия разработок и вложение 10 миллиардов долларов США. Но, кажется, эти вложения оправдывают себя: всего за 20 месяцев результаты наблюдений успели и порадовать, и озадачить ученых. Астрономы проанализировали свет самых далеких галактик, доступных телескопу «Джеймс Уэбб», расположенных в 13 миллиардах световых лет от Земли (и это еще не рекорд — до самой отдаленной из открытых телескопом галактики, JADES-GS-z13-0, примерно 13,48 млрд световых лет). Возраст этих звездных скоплений лишь на 700–500 миллионов лет меньше возраста Вселенной (почти 13,8 миллиарда лет). Спектральный анализ помогает определить не только возраст галактик, но и возраст отдельных светил в них: согласно теории звездной эволюции звезды имеют свой жизненный цикл, в зависимости от стадии которого меняется их светимость и цвет. Трансформация происходит по мере сгорания водорода и гелия в их ядре. В результате звезды постепенно от более синих и ярких становятся более тусклыми и красноватыми.

По подсчетам ученых, первые галактики должны были возникнуть среди водородных облаков через 400 миллионов лет после Большого взрыва. Ученые ожидали, что в ранней Вселенной звезды будут молодыми и успеют сформировать только маленькие скопления — массой не более миллиарда солнц. Это соответствует Стандартной космологической модели, в которой после Большого взрыва сила гравитации притянула друг к другу более плотные охлаждающиеся облака космического газа, из которых сформировались первые поколения звезд и черные дыры. Однако обнаруженные телескопом галактики оказались большими и сложно устроенными. К неожиданности ученых, их наполняли «старые» звезды и области активного звездообразования. Самые крупные же из этих галактик превосходили нашу, Млечный Путь, в ее современном состоянии, в два-три раза по массе.

Стандартная космологическая модель, или «модель ΛCDM» (где Λ обозначает темную энергию, а CDM — аббревиатура для cold dark matter, или холодной темной материи) складывается из нескольких теорий: общей теории относительности, теории Большого взрыва, а также теории первичных возмущений (флуктуаций) — малых отклонений в геометрии ранней Вселенной. Эта модель помогает в общих чертах объяснять явления, которые наблюдают астрономы. 

Например, темная материя влияет на массу космических объектов, но не участвует в электромагнитном взаимодействии, из-за чего ее трудно наблюдать. Она считается причиной неожиданно большой массы галактик, которая в свою очередь оказывает влияние на их движение. При помощи же темной энергии ученые объясняют рассчитанное при наблюдении за сверхновыми звездами расширение Вселенной и ускорение этого процесса. Распространение различных химических элементов во Вселенной вполне соответствует схеме эволюции звезд и смене их «поколений», а реликтовое излучение считают «приветом» из раннего детства нашей Вселенной.

Однако большие вопросы возникают по поводу объяснений того, как сформировалась крупномасштабная структура Вселенной и как внутри нее распределяются «пустоты» и зоны, более плотно заполненные веществом. Логично предположить, что первыми возникли более мелкие галактики, которые затем объединялись. Но наблюдения, в том числе и данные телескопа «Джеймс Уэбб», если не опровергают эту теорию, то как минимум помогают найти множество исключений — огромных галактик, намного более старых, чем было предсказано в расчетах.

Непостоянная постоянная 

Феномен образования крупных галактик раньше мелких называют даунсайзингом. Даже одного подобного зафиксированного случая достаточно, чтобы поставить под сомнение стандартную космологическую модель. Хотя у ученых к ней есть и другая серьезная претензия: разные методы наблюдений расходятся в оценках постоянной Хаббла — коэффициента, который связывает расстояния до объекта со скоростью его удаления от наблюдателя — то есть, показывает, как быстро расширяется Вселенная.

Есть два основных способа рассчитать эту постоянную: через измерения параметров Вселенной времен ее «юности» (нечто приближенное к этому типу данных получила обсерватория «Джеймс Уэбб») и через измерения параметров современных близких к нам звезд. Но первый метод дает результат в 67 км/сек/Мпк (Мпк — это мегапарсек, равный расстоянию 3 260 000 световых лет), а второй — 73 км/сек/Мпк. Астрономы надеялись, что новый телескоп поможет найти ошибки в одном из методов, но этого не произошло — более точные данные только обострили проблему.

Добавлять уточнения к теориям можно и нужно — без этого они были бы неполными. Именно благодаря дополнениям стандартная космологическая модель и оставалась актуальной последние 60 лет, однако вопросы к ее точности возникали и раньше. Часто для понимания полученных данных требовалось вводить новые виды гипотетических частиц, добавлять явления и понятия — например, такие как темная материя и темная энергия (частицы, из которых они состоят, обнаружить пока не удалось). И хотя в описании и предсказании отдельных закономерностей физики и астрономы достигли высокой точности именно при помощи существующей модели, дополнения к ней могут оказаться лишь «подпорками», поддерживающими то, что давно пора перестроить.

«Возможно, для решения проблем, с которыми нас заставляет столкнуться лицом к лицу телескоп "Джеймс Уэбб", нам потребуется придумать новое "темное что-нибудь", чтобы наша картина Вселенной продолжила соответствовать результатам самых точных измерений. Но есть и другая возможность. Мы можем быть на грани того, чтобы резко отойти от стандартной космологической модели или даже изменить наше понимание основных элементов Вселенной — пространства и времени», — считают профессор астрофизики в Университете Рочестера Адам Франк и профессор астрофизики в Дартмутском колледже Марчело Глейзер.

«Мы нашли нечто настолько неожиданное, что это создало проблемы для науки»

Чтобы говорить о новых космологических моделях, надо сначала исключить другие трактовки имеющихся данных. Например, что звезды в ранней Вселенной изучали свет как-то иначе, а современные механизмы образования звезд из облака раскаленного газа тогда не работали — так что наши оценки возраста этих далеких красноватых звезд попросту неверны. Но, по словам Джоэла Леджа, доцента астрономии и астрофизики Пенсильванского университета, соавтора исследования далеких галактик на основе данных телескопа «Джеймс Уэбб», поиск альтернативных объяснений все равно потребует совершенно новых теорий того, как устроены звезды или ранняя Вселенная.

«Мы впервые заглянули в раннюю Вселенную и даже не представляли, что мы там обнаружим. В итоге мы нашли нечто настолько неожиданное, что это создало проблемы для науки», — прокомментировал он. Все осложняется тем, что, в отличие от многих изучаемых объектов, Вселенная слишком огромна, чтобы ставить на ней эксперименты. Не все ее параметры возможно измерить имеющимися приборами (или в принципе — но мы пока этого не знаем). Исследователи не уверены однозначно в том, существуют ли другие вселенные, а даже если они существуют, наблюдать ученые могут пока только нашу.

Кроме того, некоторые привычные законы физики в масштабе Вселенной могут работать иначе. Что если человечество вывело закономерности на Земле и посчитало их фундаментальными, тогда как на самом деле это лишь частный случай? Зайти в этих рассуждениях можно очень далеко. Например, физик Ли Смолин и философ Роберто Мангабейра Ангер предполагают, что законы физики могут эволюционировать и изменяться с течением времени, а то и способны конкурировать друг с другом за эффективность. Физик Джон Уилер, отсылая к парадоксам квантовой механики, рассуждает, что само наблюдение может влиять на будущее и прошлое Вселенной. Как проверить все эти — и многие другие — предположения, исследователи не знают.

Пока что ученые не понимают, насколько переворот в космологии поможет нам лучше понимать данные приборов и инструментов. Одна из проблем заключается в том, что трактовка полученной информации зависит от убеждений ученых, которые их собирают и обрабатывают. Достаточно тяжело будет отказаться от модели, которая позволяет — пусть и с кучей оговорок — достаточно точно объяснять происходящее. Но уточнений когда-то требовала и геоцентрическая система мира, уступившая место гелиоцентрической. Не исключено, что новая космологическая модель окажется проще и стройнее, чем та, что есть сейчас.