Новое исследование, проведённое международной группой во главе с исследователями из Пенсильванского университета, подтвердило, что обнаруженные яркие объекты в ранней Вселенной не соответствуют традиционным представлениям о происхождении и эволюции галактик.
Используя инструмент NIRSpec космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), учёные идентифицировали три загадочных объекта, существовавших примерно через 600–800 миллионов лет после Большого взрыва. Анализ спектральных измерений показал наличие «старых» звёзд возрастом в сотни миллионов лет, что существенно старше, чем ожидалось для столь молодой Вселенной.
С ещё большим удивлением исследователи обнаружили признаки массивных сверхмассивных чёрных дыр в тех же регионах. Эти чёрные дыры оцениваются как в 100–1000 раз массивнее, чем сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути. Существование таких массивных чёрных дыр и старых звёзд противоречит общепринятым моделям роста галактик и образования сверхмассивных чёрных дыр.
«Мы обнаружили, что эти регионы, по-видимому, заполнены древними звёздами возрастом в сотни миллионов лет, хотя возраст Вселенной во время их существования составлял всего 600–800 миллионов лет. Это рекорд по обнаружению наиболее ранних свидетельств существования старых звёзд. Наличие старых звезд во Вселенной, которая в то время была очень молодой, стало неожиданностью. Модели космологии и формирования галактик не могут полностью объяснить существование этих объектов», — заявил ведущий автор исследования Бинцзе Ван из Пенсильванского университета.
Первоначально эти массивные объекты были обнаружены в июле 2022 года, когда были опубликованы первые данные с JWST. Последующее исследование, опубликованное в журнале Nature, признало их существование. Дальнейший анализ спектров, полученных с помощью JWST, позволил учёным лучше определить расстояния до объектов. Это помогло понять, что объекты являются галактиками, существующими вскоре после Большого взрыва, и что они содержат как старые звёздные популяции, так и невероятно массивные сверхмассивные чёрные дыры.
«Это открытие сбивает с толку. Это либо требует пересмотра наших текущих моделей Вселенной, либо указывает на какое-то экзотический и молниеносный механизм формирования на ранних этапах её существования. Это — самый необычный и интригующий набор объектов, с которым я сталкивался за всю свою карьеру», — заявил соавтор исследования Джоэл Леха из Пенсильванского университета.
Инфракрасные инструменты JWST позволяют учёным заглянуть почти на 13,5 миллиардов лет назад, к началу известной нам Вселенной. Эти объекты проявляют свойства как сверхмассивных черных дыр, так и старых звёзд. Однако исследователи пока что не уверены, какая часть наблюдаемого света исходит от каждого из них. Возможно, что это ранние галактики, необычно старые и массивные, сформировавшиеся гораздо раньше, чем предсказывают модели. Либо это галактики со сверхмассивными чёрными дырами, примерно в 100–1000 раз массивнее, чем такие галактики могли бы быть сегодня.
«Различение света от материала, падающего в чёрную дыру, и света, испускаемого звёздами в этих далёких объектах, является сложной задачей. Текущий набор данных не позволяет нам различить эти источники, что оставляет простор для различных интерпретаций этих интригующих объектов. Честно говоря, очень волнительно, что еще предстоит разгадать столько загадок», — пояснил Ван.
Кроме того, если часть света действительно исходит от сверхмассивных чёрных дыр, то они не соответствуют типичным представлениям о таких объектах. Они производят гораздо больше излучения, чем ожидалось, и не обладают характерными признаками сверхмассивных чёрных дыр, такими как горячая пыль и яркое рентгеновское излучение. Но, возможно, самое удивительное, подчёркивают исследователи, — это их массивность.
«Обычно сверхмассивные чёрные дыры и галактики развиваются вместе и проходят все основные этапы своего существования почти одновременно. Но здесь мы видим полностью сформированную взрослую чёрную дыру, обитающую внутри того, что должно быть молодой галактикой. Это нелогично, потому что эти объекты должны расти вместе, или, по крайней мере, так мы думали», — сказал Леха.
Исследователей также озадачивает чрезвычайно компактный размер этих систем, всего несколько сотен световых лет в поперечнике, что примерно в 1000 раз меньше, чем наш Млечный Путь. Количество звёзд в них примерно такое же, как в нашей галактике (от 10 миллиардов до 1 триллиона), но они занимают объём в 1000 раз меньший, чем Млечный Путь.
Если бы Млечный Путь сжать до размеров обнаруженных галактик, то ближайшая звезда оказалась бы практически в нашей Солнечной системе. Сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути, находящаяся на расстоянии около 26 000 световых лет от Земли, была бы всего в 26 световых годах от Земли и была бы видна в небе как огромный сияющий столб.
Исследователи планируют продолжить наблюдения, чтобы прояснить загадки этих объектов. Они планируют получить более глубокие спектры, наблюдая эти объекты в течение более длительных периодов времени. Это поможет разделить излучение звёзд и сверхмассивной чёрной дыры.
