JWST бачить початок космічної мережі

Космічна мережа — це масштабна структура Всесвіту. Якби ви могли спостерігати за розгортанням нашого космосу від Великого вибуху до сьогодні, ви б побачили, як ці нитки (і порожнечі між ними) формуються протягом усього часу. Тепер астрономи, які використовують JWST, знайшли десять галактик, які складають дуже ранню версію цієї структури лише через 830 мільйонів років після виникнення Всесвіту.

«Космічна мережа» почалася як коливання щільності в дуже ранньому Всесвіті. Через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху матерія (у формі первісного газу) конденсувалася у вузли на перетині листів і газових ниток у ранній мережі. Ці вузли та нитки містили перші зірки та галактики. Цілком природно, що астрономи, озираючись у минуле, шукали ранні версії космічної мережі. JWST дозволив їм озирнутися на дуже слабкі, тьмяні об’єкти, які існували незабаром після Великого вибуху.

Десять галактик, які помітила команда, розташовані в тонкій нитці довжиною три мільйони світлових років, закріпленій яскравим квазаром. Його поява здивувала команду як розміром, так і місцем у космічній історії. «Це одна з найдавніших ниткоподібних структур, які люди коли-небудь знаходили, пов’язані з віддаленим квазаром», — додав Фейге Ван з Університету Арізони в Тусоні, головний дослідник цієї програми.

Прагнення зрозуміти ранній Всесвіт і космічну мережу

Спостереження JWST є частиною програми спостережень під назвою ASPIRE: SPectroscopic survey of biased halos in the Reionization Era. Він використовує як зображення, так і спектри 25 квазарів, які існували тоді, коли Всесвіт починав світитися після «темних віків». Ідея полягає в тому, щоб вивчити формування найдавніших можливих галактик, а також народження перших чорних дір. Крім того, команда сподівається зрозуміти, як ранній Всесвіт був збагачений більш важкими елементами (металами) і як все це відбувалося в епоху реіонізації.

Цілі ASPIRE є важливою частиною розуміння походження та еволюції Всесвіту. «Останні два десятиліття космологічних досліджень дали нам чітке розуміння того, як космічна мережа формується та розвивається. ASPIRE прагне зрозуміти, як включити появу перших масивних чорних дір у нашу поточну історію формування космічної структури», — пояснив член групи Джозеф Хеннаві з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі.

Зосередьтеся на ранніх чорних дірах

Квазари манять у часі та просторі. Вони живляться від надмасивних чорних дір, які виробляють неймовірну кількість світла та інших випромінювань разом із потужними струменями. Астрономи використовують їх як стандартні свічки для вимірювання відстані, а також як спосіб дослідження величезних областей космосу, через які проходить їх світло.

Щонайменше вісім квазарів у дослідженні ASPIRE мають чорні діри, які утворилися менш ніж через мільярд років після Великого вибуху. Ці чорні діри мають масу від 600 мільйонів до 2 мільярдів мас Сонця. Це дійсно досить масивно і викликає багато питань щодо їхнього швидкого зростання. «Щоб утворити ці надмасивні чорні діри за такий короткий час, мають бути задоволені два критерії. По-перше, вам потрібно почати вирощувати з масивної «насіннєвої» чорної діри. По-друге, навіть якщо це насіння починає з маси, еквівалентної тисячі Сонць, воно все одно має накопичувати в мільйон разів більше матерії з максимально можливою швидкістю протягом усього свого життя», — пояснив Ван.

Щоб ці чорні діри могли рости, їм потрібно було багато палива. Їхні галактики також були досить масивними, що могло пояснити чудовищні чорні діри в їхніх серцях. Ці чорні діри не тільки всмоктували багато матеріалу, але їхні відтоки також впливали на формування зірок. «Сильні вітри з чорних дір можуть пригнічувати утворення зірок у головній галактиці. Такі вітри спостерігалися в сусідньому Всесвіті, але ніколи не спостерігалися безпосередньо в епоху реіонізації», — сказав Ян. «Масштаб вітру пов’язаний зі структурою квазара. У спостереженнях Вебба ми бачимо, що такі вітри існували в ранньому Всесвіті».

Чому Епоха?

Ми часто чуємо про те, що астрономи хочуть озирнутися на епоху реіонізації. Чому це така спокуслива ціль? Він пропонує поглянути на час, коли утворилися перші зірки та галактики. Після Великого вибуху дитячий Всесвіт був у гарячому, щільному стані. Іноді ми чуємо, що його називають первинним супом космосу. Потім почалося розширення, і все почало охолоджуватися. Це дозволило електронам і протонам об’єднатися, щоб утворити перші нейтральні атоми газу. Це також дозволило поширювати теплову енергію Великого вибуху. Астрономи виявляють це випромінювання. Це червоне зміщення в мікрохвильову частину електромагнітного спектра. Астрономи називають це випромінюванням «космічного мікрохвильового фону» (CMB).

Цей аспект раннього Всесвіту мав незначні флуктуації щільності матеріалу, що розширювався. Цим матеріалом був нейтральний водень. Ще не було ні зірок, ні галактик. Але згодом ці області з більшою щільністю почали злипатися під дією сили тяжіння, що призвело до того, що нейтральна речовина також почала злипатися. Це призвело до подальшого колапсу областей високої щільності, що зрештою призвело до народження перших зірок. Вони нагрівали навколишній матеріал, який пробивав отвори в нейтральних областях, і це дозволяло світлу подорожувати. По суті, ці отвори (або бульбашки) у нейтральному газі дозволяли іонізуючому випромінюванню поширюватися далі в космосі. Це був початок епохи реіонізації. Через мільярд років після Великого вибуху Всесвіт був повністю іонізований.

Отже, як пояснити перші надмасивні чорні діри?

Цікаво, що ранні галактики, які виявив JWST, разом із своїми квазарами вже були повністю на місці з надмасивними чорними дірами в їх ядрах. Залишається ключове питання: як вони так швидко стали такими великими? Їх існування може розповісти астрономам про «надщільність» у новонародженому космосі. По-перше, для формування «зерна» чорної діри потрібна надщільна область, заповнена галактиками.

Однак наразі спостереження до відкриття JWST виявили лише кілька галактик із надмірною щільністю навколо найдавніших надмасивних чорних дір. Астрономам потрібно провести більше спостережень у цю епоху, щоб пояснити, чому це може бути. Програма ASPIRE повинна допомогти розв’язувати питання про зворотний зв’язок між формуванням галактик і створенням чорних дір у цю дуже ранню епоху Всесвіту. По дорозі вони також повинні побачити більше фрагментів великомасштабної структури космічної мережі Всесвіту в міру їх формування.