2022 metų liepos 11 dieną pasauliui paskelbtos pirmosios nuotraukos, darytos James Webb teleskopu. Maždaug pusmečiu anksčiau, per 2021-ųjų Kalėdas, į kosmosą pakilęs teleskopas kelis mėnesius skrido į paskirties vietą už pusantro milijono kilometrų, tada lėtai išskleidė veidrodį ir kitas detales, sukalibravo jas ir pradėjo mokslinę veiklą. Buvo tikimasi, kad didžiausias kada nors į kosmosą pakilęs teleskopas atskleis daugybę naujų žinių apie artimus ir tolimus Visatos kampelius. Pasakyti, kad rezultatai nenuvylė, būtų vienas didesnių astronominių eufemizmų. Jau pirmieji James Webb duomenys parodė, kad daugiau dalykų ankstyvoji Visata slepia, nei mūsų filosofija aprėpia, perfrazuojant Šekspyrą. Šiandien kviečiu susipažinti būtent su galaktinio masto James Webb atradimais, o kitą kartą – su artimesniais objektais. 

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, kviečiu prie jų prisijungti. 

Seniausios (aktyvios) galaktikos

Visos galaktikos, bent jau didesnės už Magelano debesis, centre turi po supermasyvią juodąją skylę. Didžiausios jų pasiekia daugiau nei 10 milijardų kartų už Saulę didesnę masę. Nedaug menkesnės buvo ir masyviausios juodosios skylės jaunoje Visatoje: dar prieš paleidžiant Webb’ą žinojome egzistuojant pusantro milijardo Saulės masių juodąją skylę 700 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Tokio objekto egzistavimas kėlė klausimų – kaip supermasyvios juodosios skylės išvis atsirado? Kaip jos užaugo tokios didelės taip greitai (700 milijonų metų – ne tiek ir daug, kai kalbame apie augimą iki milijardo Saulės masių ar daugiau)? 

Kartu su juodosiomis skylėmis aktualus ir galaktikų augimas. Jis yra tolygesnis: per pirmąjį milijardą metų masyviausios žinomos galaktikos siekė kelis šimtus milijardų Saulės masių. Tai mažiau už Paukščių Taką ir šimtus kartų – už masyviausias šiandienines. Kada gi atsirado pirmosios galaktikos? Ar ir ankstesniais laikais, per pirmąjį pusę milijardo metų, jos augo panašiai tolygiai, ar sparčiau? 

James Webb praplėtė mūsų horizontus bent keliais šimtais milijonų metų. Gali pasirodyti nelabai daug, lyginant su dabartiniu beveik 14 milijardų metų Visatos amžiumi, tačiau tarp 700 milijonų ir 400 milijonų metų skirtumas yra milžiniškas. Naujuoju teleskopu atrasta ne viena tolimiausia juodoji skylė ir tolimiausia galaktika. Buvo ir daugybė kitokių rekordų – tolimiausia diskinė galaktika, tolimiausias galaktikų susiliejimas, tolimiausias galaktikų spiečius ir panašiai. 

Iš mokslinės pusės įdomiausia ne rekordai, o statistika. Pavienis objektas visada gali būti tiesiog anomalija, tačiau jei randame panašių dešimt ar šimtą, tai tampa tendencija. Tokių tendencijų jaunoje Visatoje aptiktos dvi: galaktikos yra masyvesnės ir tvarkingesnės, nei tikėtasi, o juodosios skylės auga greičiau nei galaktikos.

Vienos iš pirmųjų tolimų galaktikų, aptiktų James Webb nuotraukose, pasirodė esančios masyvesnės, nei prognozavo visi ankstesni modeliai. Milijardas Saulės masių žvaigždžių, sukauptų per mažiau nei 400 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, bent dešimt kartų viršijo “standartines” prognozes, padarytas ekstrapoliuojant vėlesnių laikų galaktikų skirstinius į ankstyvesnę Visatą. Idėjų, kaip paaiškinti galaktikų egzistavimą, netruko atsirasti daug ir įvairių – nuo radikalių kosmologinio modelio pakeitimų ir pirmykščių materijos fliuktuacijų analizės iki tiesiog efektyvesnės žvaigždėdaros ankstyvoje Visatoje, kur dujos buvo tankesnės, o įvairių cheminių elementų – daug mažiau. Pora idėjų atlaikė dvejus metus kritikos ir jau daugmaž tapo priimtu paaiškinimu. Pirmoji – mes matome tik pačias ryškiausias galaktikas, kuriose vyksta trumpalaikiai žvaigždėdaros žybsniai, o interpretuojant stebėjimų duomenis remiantis modeliais, kurie tokių žybsnių neįtraukia, galaktikų masė apskaičiuojama klaidingai. Antroji – nemažą dalį šių galaktikų šviesos skleidžia dujos, krentančios į juodąją skylę; neįtraukus šio efekto irgi galime pervertinti žvaigždžių masę. 

Glaudžiai su aukštesniu rezultatu susijusi antroji tendencija apie galaktikas: ankstyvoje Visatoje jos buvo netikėtai tvarkingos. Pavyzdžiui, kai kuriose žvaigždėdara sustojo nepraėjus 700 milijonų metų po Didžiojo sprogimo; diskinės galaktikos egzistavo mažiau nei 1,2 milijardo metų amžiaus Visatoje; netgi pati tolimiausia galaktika, 300 milijonų metų Visatoje, jau turėjo nemažai deguonies. Visi šie pavyzdžiai rodo, kad galaktikų – bent jau kai kurių – formavimasis jaunoje Visatoje vyko daug greičiau ir efektyviau, nei manyta prieš paleidžiant James Webb. Ar tai tik ekstremalūs objektai, toli nukrypę nuo vidurkio, kuris panašus į ankstesnes prognozes? Kol kas atsakyti sudėtinga.

Supermasyvios juodosios skylės, aptiktos James Webb teleskopu ankstyvose galaktikose, dažnai yra netikėtai masyvios. Aplinkinėse galaktikose jų masė dažniausiai sudaro apie vieną tūkstantąją, ar dar mažesnę, žvaigždinės masės dalį. Tuo tarpu tolimosiose skaičiai gaunami daug didesni; kartais juodosios skylės masė siekia net pusę galaktikos žvaigždžių masės. Bent kai kurios iš šių juodųjų skylių stebimu metu dujas ryja išskirtinai sparčiai. Paprasčiausias abiejų rezultatų paaiškinimas – sąlygos juodosioms skylėms augti ankstyvoje Visatoje buvo palankesnės, nei žvaigždžių formavimuisi. Taigi tamsieji monstrai užaugo tikrai monstriški ir tik vėliau galaktikų žvaigždžių masė ėmė juos “vytis”. Tiesa, kai kurie mokslininkai teigia, jog aptiktos juodosios skylės sudaro tik pačią ledkalnio viršūnę, o aptikę jų daugiau pamatysime, kad masių pasiskirstymas neprieštarauja šiandieninės Visatos savybėms.

Maži raudoni taškeliai 

Šviesa, keliaudama iš jaunos Visatos milijardus metų iki mūsų teleskopų, paraudonuoja. Taip nutinka dėl Visatos plėtimosi, kuris ištempia ir fotonų bangos ilgį. Šis reiškinys vadinamas kosmologiniu raudonuoju poslinkiu; išmatavę konkretaus objekto paraudonavimą, galime nustatyti, kaip ilgai keliavo šviesa iki jo (tiesa, konvertavimas priklauso nuo pasirinkto kosmologinio modelio, aprašančio Visatos sandarą ir plėtimosi spartos kitimą). Natūralu, kad seniausi objektai labiausiai ir paraudę. Būtent todėl James Webb teleskopas ir buvo reikalingas – šių objektų šviesa, išspinduliuota ultravioletinių ir regimųjų spindulių ruože, paraudusi tiek, kad Hubble’as jų tiesiog nemato. Tačiau net ir perskaičiavus bangos ilgius, kitaip tariant, “pastūmus” spektrą atgal į mėlynąją pusę, kai kurios tolimos galaktikos pasirodė esančios netikėtai raudonos. Be to, jos dar ir netikėtai kompaktiškos – įprastai pusė jų šviesos sklinda iš vos 150 parsekų spindulio regiono. Palyginimui, Paukščių Tako pusės šviesos spindulys yra beveik šeši kiloparsekai. Šiose galaktikose viename kubiniame parseke rastume nuo dešimties tūkstančių iki daugiau nei šimto milijonų žvaigždžių; pastarasis skaičius gerokai viršija net paties Paukščių Tako centro savybes. Pagal šias dvi išskirtines savybes naujoji objektų rūšis pavadinta “Mažais raudonais taškeliais” (angl. Little Red Dots, LRD).

Per pusantrų metų nuo pirmojo straipsnio, apibūdinančio LRD kaip atskirą galaktikų klasę, mokslinių straipsnių apie šiuos objektus pasirodė virš 60; pranešimų konferencijose – dvigubai daugiau. Akivaizdu, kad astronomų susidomėjimo LRD tikrai sulaukė. Dalis straipsnių yra apie naujų tokių objektų atradimus. Kol kas jų žinoma nedaug, tik kiek virš 300. Absoliuti dauguma jų aptiktos 0,6-1,6 milijardo metų amžiaus Visatoje. Tiesa, prieš porą savaičių paskelbta apie tris analogiškai atrodančias galaktikas, kurių šviesa iki mūsų keliavo mažiau nei 2,5 milijardo metų; tai reiškia, kad jas matome iš bent 11,3 milijardo metų amžiaus Visatos.

Kita dalis tyrimų yra bandymai paaiškinti netikėtas LRD savybes. Jos neapsiriboja raudonomu ir kompaktiškumu. Iš tiesų, net ir raudonumas nėra universalus: tokia spektro forma matoma tik regimųjų spindulių ruože. Ultravioletinių spindulių diapazone šios galaktikos kaip tik yra mėlynos. Toks spektras, kai didėjant bangos ilgiui iki tam tikros vertės spinduliuotės intensyvumas mažėja, o paskui ima augti, visiškai priešingas žvaigždžių spektrui, kuris kaip tik ties viduriu turi maksimumą. Be to, jų spektre matyti keletas labai plačių vandenilio spektro linijų, o tai rodo didelį šių dujų judėjimo greitį. Tai gali būti arba sukimasis arti centrinės supermasyvios juodosios skylės, arba tėkmė, lekianti lauk iš galaktikos 1000 km/s greičiu ar net didesniu. Šiuo metu geriausiai visas savybes paaiškina modelis, kuriame LRD centre yra sparčiai medžiagą ryjanti juodoji skylė. Visgi daugiau nei du trečdaliai LRD pasižymi aktyvioms galaktikoms būdingomis savybėmis. Kitus galimai dengia labai tankus dujų apvalkalas – tai paaiškintų ir rentgeno spinduliuotės nebuvimą, kuris yra dar viena LRD keistenybė. Tiesą sakant, šie objektai gali būti perėjimo būsenoje: supermasyvios juodosios skylės, ilgą laiką labai efektyviai maitintos gausių dujų srautų, pagaliau pasiekė pakankamą masę, kad gali nusipūsti dujų apvalkalus. Vėliau jos toliau augs, tačiau toli gražu ne taip sparčiai, o žvaigždės galaktikose gims ir toliau, taigi juodosios skylės ir žvaigždžių masės santykis kiekvienoje galaktikoje po truputį mažės. Tokia interpretacija paaiškina ir mažą LRD skaičių, mat ši fazė, kai aktyvus branduolys tik pradeda nupūtinėti tankias dujas, turėtų būti labai trumpa, lyginant su Visatos amžiumi, taigi tik labai nedidelę dalį galaktikų matome šiame svarbiame etape.

Labiausiai tikėtina interpretacija, žinoma, nėra vienintelė. Štai visai neseniai pasirodė tyrimas, kuriame rodoma, jog LRD gali paaiškinti ir supermasyvios žvaigždės – hipotetiniai ankstyvos Visatos dariniai, panašūs į žvaigždes, tačiau milijonus kartų masyvesni, kurie kolapsavo į pirmąsias supermasyvias juodąsias skyles. Taip pat LRD spektrai gali būti ne gaubiančio tankaus apvalkalo, o tiesiog ypatingai sparčiai į juodąją skylę krentančių dujų požymis. Bet kuriuo atveju, LRD neabejotinai susijęs su supermasyviomis juodosiomis skylėmis ir tuo, kaip jos užaugo iki šiandien matomų masių.

Pirmos dalies pabaiga

Tolimos galaktikos – tik viena James Webb tyrimų sritis. Žvaigždžių formavimosi regionai, egzoplanetos, netgi Saulės sistemos kūnai – turbūt nerasime astrofizikinių tyrimų atšakos, kurios nepalietė naujojo didžiojo teleskopo akis. Apie tuos atradimus pakalbėsime kitą kartą.

Laiqualasse