937 галактик светятся так, как не должны: телескоп Джеймса Уэбба обнаружил нарушение фундаментальных законов звездной физики

В ранней Вселенной, менее чем через 2 миллиарда лет после Большого взрыва, газовые облака вокруг галактик светятся ярче самих звёзд — это противоречит всем наблюдениям современной Вселенной

Телескоп Джеймса Уэбба завершил один из самых глубоких обзоров ранней Вселенной за всю историю астрономии — программу JADES, охватившую 15 259 галактик на протяжении более 13 миллиардов лет космической истории. В этом каталоге исследователи обнаружили 937 галактик, которые нарушают фундаментальные правила того, как должны работать звёзды и свет.

Правило, которое не нарушал никто

Чтобы понять масштаб проблемы, нужно знать, как выглядит свет нормальной галактики. Звёзды производят излучение, которое ионизирует окружающие газовые облака, вырывая электроны из атомов водорода, и заставляет газ светиться. Но газ всегда остаётся младшим партнёром в этой связке. Звёзды управляют процессом, туманность реагирует. Туманность никогда не пересвечивает звёзды. Каждое измерение каждой галактики в современной Вселенной подтверждает эту иерархию.

Эти 937 галактик нарушают её.

Соотношение, которое не сходится

У каждой галактики есть два типа света. Звёзды испускают обычный видимый свет. А также они испускают агрессивное ионизирующее излучение, которое вырывает электроны из водорода и заставляет туманность светиться. У нормальных галактик баланс между этими двумя видами излучения находится в предсказуемом диапазоне, подтверждённом тысячами наблюдений.

У 937 галактик ионизирующее излучение настолько сильное, что разница между нормой и тем, что показывают эти объекты, — как разница между костром и ядерным взрывом в одной комнате. Единственное известное физическое объяснение требует звёзд совершенно иного характера, чем те, что существуют в современной Вселенной.

Эволюция во времени

На красном смещении около 6 (примерно 12 миллиардов лет назад, когда Вселенной было менее 2 миллиардов лет) эти объекты, где туманность доминирует над звёздами, составляют около 11 процентов всех галактик в обзоре. На красном смещении около 2 (примерно 8 миллиардов лет назад) их доля падает до 2 процентов. Процесс, ответственный за такое поведение, был драматически более распространён в ранней Вселенной и с тех пор затухал.

Что это может быть

Ведущее физическое объяснение указывает на самые экстремальные звёзды, которые когда-либо производила Вселенная. Первое поколение звёзд — их называют звёздами популяции III — образовалось в среде, не содержащей металлов (тяжёлых элементов). В облаке без металлов газ не фрагментируется при коллапсе, а падает внутрь единой катастрофической массой. Звезда в центре может достигать массы в сотни раз больше массы Солнца. Она сжигает топливо при таких экстремальных температурах, что её излучение затопляет окружающую туманность энергией, делая газовое облако доминирующим источником света.

Галактика в центре бури

Объект GS-9422, находящийся в 13 миллиардах световых лет от нас, первым сломал модели, когда телескоп Джеймса Уэбба навёл на него свои приборы. Его спектр показывает резкий спад в ультрафиолетовом диапазоне — сигнатуру туманности, настолько энергичной, что она полностью перехватила инициативу у звёзд.

Но есть и альтернативные объяснения. Вторая группа исследователей утверждает, что массивная стена нейтрального водорода между нами и галактикой поглощает ультрафиолет до того, как он достигает телескопа, создавая ложный сигнал. Третья группа обнаружила, что разные длины волн исходят из разных пространственных областей внутри галактики — что не ожидается, если туманность доминирует равномерно. Они предполагают, что истинный двигатель — скрытая чёрная дыра в ядре галактики, чей конус ионизации пробивает окружающий газ.

Все три объяснения активно обсуждаются в научной литературе. Ни одно не исключено.

Как нашли все 937

Водород играет с определённой длиной волны. Когда свободные электроны в горячей туманности захватываются обратно в атомы водорода на определённом энергетическом уровне, они выпускают вспышку света, создающую видимую ступеньку в спектре галактики — ярче с одной стороны границы, чем с другой. Это называется бальмеровским скачком.

Фильтры телескопа Джеймса Уэбба достаточно узки, чтобы фиксировать эту границу на огромном диапазоне расстояний. Исследователи нашли 2646 галактик с этим отпечатком, а затем применили дополнительные тесты, чтобы отсеять 937 самых экстремальных кандидатов.

Что дальше

Исследователи признают, что часть из 937 галактик может иметь прозаическое объяснение — например, обычные вспышки звездообразования, затемнённые пылью, которые имитируют сигнал без экзотических звёзд. Окончательное подтверждение потребует спектроскопии высокого разрешения по каждому объекту.

Пока этого не сделано, 937 галактик числятся в каталоге как возможные носители прямого наблюдаемого наследия первых звёзд, когда-либо загоревшихся во Вселенной. Каждая из них — застывший сигнал, который летел к нам дольше, чем существует Земля. И ждёт, пока кто-нибудь посмотрит внимательнее.

Вопрос в том, какой из трёх сценариев (гигантские звёзды первого поколения, стена нейтрального водорода или скрытая чёрная дыра) окажется правильным. И что это будет значить для нашего понимания того, как выглядела Вселенная, когда ей было меньше двух миллиардов лет — и почему она больше так не выглядит.