Как на единственной фотографии, сделанной Уэббом, сошлись три величайших научных загадки

Хотя с начала 20-го века мы узнали о Вселенной очень многое, в процессе мы наткнулись на несколько загадочных явлений, которые остаются непонятыми до сих пор. И, пожалуй, три самые большие из них — это:

1. Тёмная энергия, управляющая расширением Вселенной и доминирующая в нашем космическом энергетическом бюджете. Природа её до сих пор неясна.
2. Тёмная материя, которая не может состоять ни из одной из известных частиц Стандартной модели, но которая по массе перевешивает обычную, состоящую из атомов, материю в соотношении 5:1.
3. Асимметрия материи и антиматерии, которая заключается в том, что на каждые 1,4 миллиарда фотонов во Вселенной приходится 1 протон или нейтрон, но нет соответствующих антипротонов или антинейтронов несмотря на то, что нам не известно ни одной реакции, которая могла бы создать протонов и нейтронов больше, чем антипротонов и антинейтронов.

И всё же мы можем быть уверены в том, что тёмная энергия, тёмная материя и космическая асимметрия материи и антиматерии существуют, даже если мы не знаем, как и почему они появились. Примечательно, что одно-единственное композитное изображение Уэбба, полученное в ходе наблюдений под названием «обзор UNCOVER», позволяет нам измерить и исследовать все эти тайны, а также узнать гораздо больше о том, как росла наша Вселенная. Вот что мы можем узнать из этой крошечной области неба, и какие уроки всё это несёт для всей нашей космической истории.

Сам объект представляет собой богатое скопление галактик и входит в каталог Abell, который был составлен для картирования и отслеживания скоплений галактик в далёкой Вселенной; этот конкретный объект имеет номер Abell 2744. Его прозвали «скоплением Пандоры» в честь одной истории из греческой мифологии, где Пандора (чьё имя, кстати, обозначает «все дары») получила ящик с «подарками» внутри, который ей было сказано никогда не открывать. Она его, конечно же, открыла, после чего в мир проникли все беды, которые будут вечно мучить человечество. Однако она быстро захлопнула ящик, успев запечатать в нём последний из этих даров — надежду.

Но кластер Пандоры — это не просто одно скопление; это конгломерат по меньшей мере трёх независимых галактических скоплений, находящихся в процессе взаимодействия друг с другом, которое в конечном итоге приведёт к их слиянию. После того, как в прошлом это скопление наблюдали многие обсерватории, включая обсерватории НАСА «Хаббл» и «Чандра», совсем недавно оно стало объектом исследования «JWST UNCOVER Treasury Survey», цель которого — ещё более глубокое изучение этого интересного объекта.

UNCOVER — это аббревиатура от Ultradeep NIRSpec and NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization [«Сверхглубокие наблюдения NIRSpec и NIRCam времён до эпохи реионизации»], и его целью было глубокое наблюдение этой области пространства и раскрытие новых деталей того, как галактики растут и эволюционируют.

И данные Уэбба сразу же выявили ^[2] кое-что поразительное: около 50 000 источников света, расположенных в области неба площадью всего 0,007 квадратных градусов; эта область настолько мала, что для покрытия всего неба потребовалось бы 5 600 000 таких областей.

На заглавной картинке стоит игнорировать только блестящую звезду с лучиками близ центра изображения — это звезда, расположенная в Млечном Пути, находящаяся на линии обзора интересующего нас объекта. Кроме того, в этом направлении есть несколько близлежащих галактик, выходящих на передний план, но большинство из них тусклые и ничем не примечательные. За ними находятся главные особенности скопления Пандора: три скопления, выделенные на изображении выше, которые содержат огромное количество галактик, находящихся на разных стадиях эволюции. Всё, что мы видим, происходило примерно 4 миллиарда лет назад.

Но большинство светлых точек на этом изображении — это ни объекты переднего плана, ни часть скопления Пандоры. Это фоновые галактики — объекты ещё более удалённые, чем три скопления, входящие в скопление Пандоры. Они родом из ещё более далёкого прошлого, в котором скорость звездообразования была намного выше (это был так называемый "космический полдень ^[3]", когда звездообразование достигло своего пика), и даже ещё более древних времён. Это самые ранние стадии появления звёзд из всех, которые мы когда-либо исследовали.

Масса трёх основных скоплений, а также 30 часов особого режима съёмки камерой NIRCam, установленной на Уэббе, способны завести нас дальше, чем любое другое исследование, которое когда-либо проводилось. Везде, где во Вселенной есть масса, за которой есть другие источники света, из этой массы может получиться гравитационная линза. Такая линза искажает ткань пространства, а вместе с этим искажает и усиливает свет, проходящий мимо.

При подходящей геометрии такого искажения фоновые объекты могут вытягиваться в полосы, дуги, давать множественные изображения и увеличиваться во много раз: в 5, 30, а в очень редких случаях — в сотни и даже тысячи раз. Это явление, известное как сильное гравитационное линзирование, даёт нам одни из самых впечатляющих линз, которые мы когда-либо наблюдали.

Однако независимо от того, насколько хорошо вы выровняли объект, все фоновые объекты будут подвержены более тонкому явлению: слабому гравитационному линзированию. В отличие от сильного линзирования, которое действительно улучшает то, что мы можем наблюдать, слабое линзирование — это в первую очередь искажающий эффект, растягивающий галактики по круговым/эллипсоидным траекториям и сжимающий их в перпендикулярном направлении. Именно сочетание этих двух характеристик — сильного и слабого гравитационного линзирования — позволяет нам наиболее успешно реконструировать массы и распределения масс скоплений, расположенных на переднем плане.

Между тем все 50 000 проявившихся на изображении галактик были сняты через различные фильтры, что позволяет нам получить для них оценки красных смещений. Хотя фотометрические красные смещения не надёжны на 100%, они чрезвычайно полезны для определения того, какие галактики могут оказаться сверхдалёкими объектами, а также дают нам отличные оценки того, насколько далёкий и давний свет галактики, приходящий к нам.

Поскольку мы знаем, какие галактики — часть скопления Пандоры, а какие нет, мы можем вычесть галактики скопления и дополнительно «разлинзовать» их, используя то, что мы знаем о гравитационном линзировании и изгибании света, чтобы определить их неискажённую форму и реальную, а не увеличенную яркость. Затем мы можем использовать эту информацию для определения совокупных усреднённых свойств галактик и того, как эти свойства изменяются на космических временных масштабах.

С такими хорошими данными по небольшой, но значимой части неба у нас есть почти всё необходимое для того, чтобы определить, что Вселенная на самом деле:

• полна тёмной энергии,
• богата тёмной материей (и что тёмная материя — это не просто «обычная материя, которая тёмная»),
• и состоит из материи, а не из антиматерии.

Существует множество различных способов измерения расстояния до объекта. Вы можете узнать что-то о собственной яркости объекта, и тогда можно сопоставить это с его наблюдаемой яркостью и вывести расстояние по закону обратных квадратов. Вы можете узнать связь между чем-то измеримым (например, периодом колебаний яркости переменной звезды) и тем, что вы хотите узнать (например, собственной яркостью звезды), а затем использовать это для вычисления расстояния. Или вы можете использовать одну из любого числа эмпирических корреляций — зависимость Талли-Фишера ^[4], соотношение Фабер-Джексона ^[5], флуктуацию поверхностной яркости ^[6] и т.д. – для вычисления расстояния до объекта на основе измеряемых свойств.

Поскольку мы также можем измерить (или, по крайней мере, оценить по фотометрии) красное смещение удалённого объекта, мы можем одновременно получить информацию о том:

• насколько объект удалён от нас прямо сейчас в световых годах (или в любой другой единице измерения расстояния, которая вам нравится),
• и как быстро он удаляется от нас, исходя из наших моделей расширяющейся Вселенной,

и это покажет нам, из чего состоит наша Вселенная. Эта простая идея измерения расстояний до объектов, существовавших на протяжении всей истории Вселенной — часть метода построения шкалы расстояний ^[7] для измерения расширяющейся Вселенной, и именно этот метод впервые открыл для нас наличие тёмной энергии.

Ещё одно измерение, которое мы можем сделать, не имеет абсолютно никакого отношения к возможностям Уэбба, а скорее подчёркивает, насколько важны мультиволновые представления о Вселенной для учёных, которые её изучают. Галактики и скопления галактик состоят не только из звёзд, но и из материи, расположенной между звёздами: газа, пыли и плазмы, то есть обычной материи (а если тёмная материя существует, то и из неё тоже). Когда галактики и скопления галактик сталкиваются, частички обычной материи взаимодействуют друг с другом: нагреваются, ионизируются, замедляются, образуют звезды. Отдельные звезды и тёмная материя (если она есть), однако, не взаимодействуют таким образом друг с другом — вместо этого они просто свободно движутся, и эти взаимодействия их никак не тормозят.

Изучая Вселенную в рентгеновском свете – на этом специализируется обсерватория «Чандра», а также будет специализироваться обсерватория следующего поколения Lynx — мы можем построить карту, где находится обычная материя, кроме звёзд. И сравнивая эту карту с картой гравитационного линзирования, которая отображает общее количество массы, присутствующей в объекте переднего плана, мы можем определить, есть ли тёмная материя или её нет, сколько её там конкретно, и как её распределение согласуется или не согласуется с распределением нормальной материи.

Четырёхэтапная анимация показывает отдельные галактики, присутствующие в Abell 2744 вместе с рентгеновскими данными, полученными с помощью Чандры, и картой линзирования, построенной на основе данных гравитационного линзирования. Несоответствие между рентгеновскими лучами и картой линзирования — один из самых сильных индикаторов присутствия тёмной материи.

Только около 20% массы скопления Пандоры может быть объяснено наличием нормальной материи, показанной на анимации выше розовым цветом, в то время как по крайней мере 75% (а возможно, и больше) общей массы, вызывающей эффект гравитационного линзирования, должно присутствовать там в форме тёмной материи. Подобное распределение соответствует тому, что мы обнаружили в других местах, где происходили подобные космические столкновения.

Наконец, альтернативной гипотезой, объясняющей асимметрию материи и антиматерии, может быть такой вариант: звёзды, галактики или скопления галактик, расположенные в разных областях пространства, состоят в равной степени из материи и антиматерии, только они разделены значительными расстояниями. Можно представить множество механизмов, которые создадут некоторые части Вселенной, содержащие материю, а другие — антиматерию, и так же, как материя образует атомы, молекулы, газовые облака, звёзды, галактики и скопления, могут существовать регионы с антиатомами, антимолекулами и вплоть до космических структур, состоящих из античастиц.

Но вот в чем дело: когда различные космические объекты сталкиваются или иным образом вступают в контакт друг с другом, они будут взаимодействовать по обычным правилам, если они оба состоят из материи (или антиматерии). Но если области материи и антиматерии соприкоснутся друг с другом, они аннигилируют, породив безошибочно узнаваемую сигнатуру гамма-излучения сверхвысокой энергии.

Отсутствие подобных сигнатур при столкновениях:

• облаков газа в межгалактической среде,
• звёздных системам внутри галактик,
• галактик внутри скоплений,
• самих скоплений,

накладывает невероятно жёсткие ограничения на ответ на вопрос «Сколько во Вселенной может быть антивещества?». Даже на основе таких объектов, как скопление Пандора, мы можем узнать, что не более 0,001% Вселенной может состоять из антиматерии. А это в любом случае подтверждает тот факт, что в нашей наблюдаемой Вселенной действительно существует асимметрия материи и антиматерии.

Кроме того, мы можем узнать ещё много всего интересного, например, как галактики растут и эволюционируют на космических временных масштабах. Мы можем измерить скорость звездообразования объектов в нашем космосе и посмотреть, как они эволюционируют с течением времени. Мы можем изучить галактики и звезды, образовавшиеся в первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной, чтобы узнать, когда и как нейтральные атомы в межгалактической среде реионизировались. И мы можем посмотреть на самые ранние галактики, чтобы узнать о формировании звёзд и галактик и даже о том, как сверхмассивные чёрные дыры впервые образовались и начали расти во Вселенной.

Это трудно представить, но если современный Млечный Путь сравнить со 100-летним человеком, то галактики, которые мы находим в Скоплении Пандоры, окажутся гораздо более подвижными — примерно как 70-летние люди. А галактики, существовавшие в «космический полдень», когда наблюдался пик звездообразования, были больше похожи на 20-летних подростков в расцвете молодости и сил. Уэбб, благодаря обзору UNCOVER и аналогичным глубоким исследованиям, может показать нам этих подростков, детей и даже младенцев. Нынешний рекордсмен по возрасту покажется аналогом двухлетнего младенца. На максимуме возможностей Уэбб сможет даже вернуть нас во времени к галактикам в их настоящем младенческом возрасте — в диапазоне от 8 до 18 месяцев в пересчёте на человеческий возраст.

Он не может увидеть всё прошлое до самого начала рождения галактик, но в обзоре UNCOVER ещё может скрываться пока не найденный космический рекордсмен, только и ждущий спектроскопического анализа. Несмотря на то, что этот обзор достаточно велик и дал нам порядка 50 000 уникальных объектов, на небе он имеет размер не более точки, проставленной на ногте вытянутой руки: это 1/5 600 000 часть всего неба. Мозаика NIRCam в полном разрешении имеет внушительный размер в 200 мегапикселей и поможет нам понять, как рождались и росли галактики на протяжении всей нашей космической истории. Хотя чем больше данных, тем обычно точнее выводы, одного этого изображения вполне достаточно для реконструкции почти всей нашей космической истории, и даже крошечный её фрагмент может привести нас в восторг.