Видящий невозможное: как «Джеймс Уэбб» переписывает историю Вселенной

Новости об очень далеких галактиках в последнее время льются рекой. За это нужно сказать спасибо орбитальному телескопу «Джеймс Уэбб», запущенному в конце 2021 года. Огромная чувствительность позволяет ему различать самые тусклые объекты. Кроме того, он наблюдает космос в инфракрасных волнах. Для наблюдения далеких галактик это очень важно, ведь расширение Вселенной растягивает электромагнитные волны. Свет, испущенный в первый миллиард лет существования Вселенной, давно превратился в инфракрасное излучение. Лучи самых далеких объектов, наблюдаемых «Уэббом», в момент испускания были даже не световыми, а ультрафиолетовыми.

Если лучи галактики провели в пути 13 миллиардов лет, то мы видим ее такой, какой она была 13 миллиардов лет назад, всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Вглядываясь в глубины космоса, мы смотрим в прошлое. Это, по существу, единственный способ проверить наши теории о том, как образовались галактики.

Чем больше данных накапливает «Уэбб», тем больше вопросов появляется к этим теориям. Ранние галактики оказываются неожиданно зрелыми. Трудно понять, как они успели набрать такую массу за считаные сотни миллионов лет после Большого взрыва. Возможно, новые факты заставят ученых пересмотреть представления о том, из чего состоит Вселенная.

Но есть тонкости и подводные камни, о которых следует вспомнить, прежде чем затевать революцию в космологии.

Коварные расстояния

Прежде всего отметим: если свет от галактики шел до нас 13 миллиардов лет, это уже не значит, что расстояние до нее — 13 миллиардов световых лет! Столь удобная арифметика работает в пределах нескольких ближайших галактик, но никак не в масштабах Вселенной. Здесь пространство и время выкидывают занимательные фокусы, из-за которых бытовое понятие о дистанциях утрачивает смысл. Если вы скажете «расстояние», астрофизик попросит уточнить: какое? Радиальное? Яркостное? Как когда-то говорили в интернете, «тысячи их». Конечно, на самом деле далеко не тысячи, зато они запросто могут отличаться друг от друга в несколько раз. 

Чаще всего говорят вообще не о расстоянии, а о красном смещении. Эта величина обозначается буквой z. При необходимости она однозначно пересчитывается в любую разновидность расстояния и, что гораздо удобнее, во время путешествия света. У специалистов такой необходимости обычно не возникает. Астроном говорит: «Я видел объект с z = 13». И коллеги восхищенно ахают. Их можно понять, ведь z = 13 — это всего 330 миллионов лет после Большого взрыва.

Есть разные способы измерить красное смещение. Классический путь — получить спектр объекта, то есть измерить его яркость на каждой доступной длине волны. Это самый надежный способ, но и самый трудоемкий и требовательный к качеству наблюдений. Красное смещение, измеренное таким образом, называется спектроскопическим.

Есть и способ «для бедных» — фотометрический. Телескоп измеряет блеск галактики через несколько светофильтров, условно говоря, «синий», «зеленый» и «красный». Это вместо разложения света (или инфракрасных волн) в полноценный спектр. Подобные данные тоже позволяют измерить красное смещение, но куда менее точно. Фотометрические z используются за неимением лучшего, когда нет спектроскопических.

Ненужный пьедестал

Журналисты часто игнорируют подобные тонкости, в духе героини Гоголя приставляя губы Никанора Ивановича к носу Ивана Кузьмича. Если верить некоторым сообщениям в СМИ, недавно обнаруженная галактика UNCOVER-z12 на четвертом месте по удаленности от Земли (z = 12,39), а ее «соседка по открытию» UNCOVER-z13 и вовсе на втором (z = 13,08). На первом же месте (z = 13,2) галактика JADES-GS-z13-0, открытая все тем же «Уэббом».

Между тем в научной статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters, UNCOVER-z13 называется лишь кандидатом в галактики. Наблюдатели выражаются так, когда не вполне уверены, что именно они видят, а это в астрономии случается сплошь и рядом. Может быть, UNCOVER-z13 вообще не реальный объект, а плод ошибки в обработке данных.

Кроме того, красное смещение «чемпиона» JADES-GS-z13-0 — спектроскопическое, то есть измеренное как надо, а «серебряного призера» UNCOVER-z13 — фотометрическое, то есть измеренное как смогли. Нет особого смысла объединять такие данные в одном рейтинге.

Да и с первым местом не все так просто. На него претендует не только JADES-GS-z13-0, но и галактика HD1 со спектроскопическим z = 13,27. Формально именно она должна быть первой. Однако дело запутывают возможные погрешности в измерении z. Ученые, конечно, оценивают погрешности своих измерений, но порой слишком оптимистично.

Впрочем, астрономов мало интересуют рейтинги и пьедесталы. Наука — это не спорт. Чем больше данных о прошлом Вселенной, тем лучше, а спорить о топ-10 — дело десятое.

Однако очень важно понимать, что подавляющее большинство измеренных «Уэббом» красных смещений — фотометрические. Фотометрическое красное смещение не просто менее точно, чем спектроскопическое. Некоторые эффекты могут грубо его исказить. Например, показать z > 12 там, где на самом деле z < 5. Такую злую шутку с астрономами может сыграть среди прочего обилие пыли в галактике или аномально сильное излучение на некоторых длинах волн. Подобное уже случалось, в том числе и с «Уэббом».

Разрушитель теорий

Предположим для начала, что большинство свежеоткрытых галактик действительно так далеки, как показывает фотометрия. Тогда космология начинает трещать по швам.

В начале 2023 года в Nature вышла статья, авторы которой рассмотрели «уэббовские» галактики с фотометрическим 7,4 ≤ z ≤ 9,1 (500-700 миллионов лет после Большого взрыва). Вывод однозначен: массивные галактики встречались в ту эпоху значительно чаще, чем предсказывают наши лучшие теории.

Но, может быть, мы просто плохо себе представляем механизм образования галактик? Это действительно весьма смутная и проблемная область космологии. С природой реликтового излучения или, к примеру, происхождением химических элементов все гораздо понятнее.

На этот вопрос отвечает работа Майкла Бойлана-Колчина, опубликованная в Nature Astronomy. Ученый не использовал никакой конкретной теории зарождения галактик. Он исходил из общих положений самой авторитетной модели устройства и развития Вселенной — ΛCDM-космологии. Например, таких: большую часть вещества во Вселенной составляет темная материя. Она состоит из неизвестных науке частиц — не протонов, не электронов и так далее. Эти частицы, за редчайшими исключениями, взаимодействуют друг с другом и с обычным веществом только через гравитацию.

Третий компонент Вселенной — темная энергия. Она отличается и от обычного, и от темного вещества и не играла заметной роли в образовании первых галактик. Ни один из этих тезисов, строго говоря, не доказан. Но большинство космологов считают, что это лучший способ объяснить наблюдаемые свойства Вселенной. Или, может быть, лучше сказать: считали до запуска «Уэбба»?

Бойлан-Колчин обозначил проблему: «Уэбб» видит неожиданно много ярких галактик на фотометрических z = 7-10 (500-800 миллионов лет после Большого взрыва). Возможно, эти результаты — ошибка наблюдений (эксперт перечислил причины, по которым «Уэбб» мог завысить красное смещение и (или) светимость галактики). Но если данные все же верны, то как их объяснить? Исследователь показал, что ΛCDM-космология оставляет для этого единственную возможность. Нужно допустить, что в те времена более 60 процентов обычной — не темной — материи существовало в виде звезд, а не межзвездного и межгалактического газа. Между тем в доступном для детального изучения космосе все иначе. Массовая доля звезд в обычной материи — всего 10-20 процентов. Очень трудно понять, почему в ранней Вселенной она должна быть в несколько раз выше. Принять такое предположение — значит объяснять странный факт через еще более странную гипотезу.  

А ведь z = 10 — далеко не предел. Авторы работы, пока не прошедшей рецензирование, сообщили о галактике, образовавшейся в первые 220 миллионов лет после Большого взрыва (фотометрическое z = 17). Эти цифры потрясают. Путь от первых признаков жизни на Земле до появления многоклеточных занял около двух миллиардов лет. А галактика со звездной массой в пять миллиардов солнц возникла вдесятеро быстрее? Подобные результаты «бросают вызов практически любой модели ранней эволюции галактик, согласующейся с ΛCDM-космологией». (Даже сквозь сдержанный тон научной статьи чувствуются эмоции!) Но все это опять-таки в случае, если красное смещение и масса галактики определены верно. Исследователи специально подчеркивают возможность ошибки и обсуждают сценарий c z = 5.

Жар открытия или холодный душ?

В каждой научной работе о том, как плохо результаты «Уэбба» согласуются с космологическими теориями, рефреном звучит: «Если красные смещения будут подтверждены спектроскопически». Если фотометрические z так ненадежны, стоит ли вообще сейчас обсуждать новую космологию?  

Списать все неувязки на ошибки наблюдений мешает простой факт: «незаконных» объектов слишком много. Уже в первые несколько месяцев работы «Уэбб» нашел десятки кандидатов в галактики с фотометрическим z > 10 (менее 450 миллионов лет после Большого взрыва). Вряд ли все они могут быть ложными. Разве что фотометрия как способ оценки красного смещения вообще не годится для столь тусклых галактик, какие наблюдает «Уэбб».

Подобный сценарий нельзя исключать. Ученые хорошо знают: чтобы зафиксировать слабый сигнал, мало обзавестись чувствительным прибором. Чем слабее сигнал, тем больше разнообразных помех, способных его исказить. Студентов-физиков учат, взвешивая образец на точных весах, учитывать архимедово выталкивание в воздухе. Исследователям, фиксирующим гравитационные волны на детекторах LIGO и VIRGO, приходится учитывать даже тепловое движение молекул в зеркалах. Рекордно чувствительный «Уэбб» вторгся в совершенно новую область, и вполне возможно, что здесь Вселенная припасла настырным наблюдателям какой-нибудь неприятный сюрприз. Галактика — не весы, ее не разберешь по винтику, чтобы выяснить, что не так.

Если же фотометрические результаты «Уэбба» все-таки подтвердятся, в ΛCDM-космологии придется что-то менять. Скорее всего, перемены коснутся самых загадочных субстанций — темной материи и энергии. Благо альтернативных теорий на их счет предостаточно.

Правда, обычно такие теории хуже согласуются с большинством наблюдений, чем ΛCDM-модель — не зря же она самая авторитетная. Но, возможно, среди массы спекуляций уже прячутся ростки новой космологии. Однако прежде чем бросаться их искать, лучше набраться терпения и подождать результатов спектроскопии.