Standardmodel for kosmologi overlever et teleskops overraskende fund

Revnerne i kosmologien skulle tage et stykke tid, før de dukkede op. Men da James Webb Space Telescope (JWST) åbnede sin linse sidste forår, skinnede ekstremt fjerne, men meget lyse galakser straks ind i teleskopets synsfelt. "De var bare så dumt lyse, og de skilte sig bare ud," sagde Rohan Naidu, en astronom ved Massachusetts Institute of Technology.

Galaksernes tilsyneladende afstande fra Jorden antydede, at de blev dannet meget tidligere i universets historie, end nogen havde forventet. (Jo længere væk noget er, jo længere tid siden blussede dets lys frem.) Tvivlen svirrede, men i december bekræftede astronomer, at nogle af galakserne faktisk er så fjerne og derfor så primordiale, som de ser ud til. Den tidligste af disse bekræftede galakser kastede sit lys 330 millioner år efter Big Bang, hvilket gør den til den nye rekordholder for den tidligst kendte struktur i universet. Den galakse var temmelig mørk, men andre kandidater, der var løst knyttet til den samme tidsperiode, skinnede allerede klart, hvilket betyder, at de var potentielt enorme.

Hvordan kunne stjerner antændes inde i overhedede gasskyer så hurtigt efter Big Bang? Hvordan kunne de hastigt væve sig ind i sådanne enorme gravitationsbundne strukturer? At finde sådanne store, lyse, tidlige galakser ligner at finde en forstenet kanin i prækambriske lag. »Der er ikke store ting i de tidlige tider. Det tager et stykke tid at komme til store ting,” sagde Mike Boylan-Kolchin, en teoretisk fysiker ved University of Texas, Austin.

Astronomer begyndte at spørge, om overfloden af ​​tidlige store ting trodser den nuværende forståelse af kosmos. Nogle forskere og medier hævdede, at teleskopets observationer bryder standardmodellen for kosmologi - et velafprøvet sæt ligninger kaldet lambda koldt mørkt stof, eller ΛCDM, model - på spændende vis peger på nye kosmiske ingredienser eller styrende love. Det er dog siden blevet klart, at ΛCDM-modellen er modstandsdygtig. I stedet for at tvinge forskere til at omskrive kosmologiens regler, har JWST-fundene fået astronomer til at genoverveje, hvordan galakser er lavet, især i den kosmiske begyndelse. Teleskopet har endnu ikke brudt kosmologien, men det betyder ikke, at tilfældet med de for tidlige galakser vil vise sig at være andet end epoke.

Enklere tider

For at se, hvorfor påvisningen af ​​meget tidlige, lyse galakser er overraskende, hjælper det at forstå, hvad kosmologer ved - eller tror, ​​de ved - om universet.

Efter Big Bang begyndte spædbarnsuniverset at køle af. Inden for et par millioner år satte det bølgende plasma, der fyldte rummet sig, sig ned, og elektroner, protoner og neutroner blev kombineret til atomer, for det meste neutralt brint. Tingene var stille og mørke i en periode af usikker varighed kendt som den kosmiske mørke tidsalder. Så skete der noget.

Det meste af det materiale, der fløj fra hinanden efter Big Bang, er lavet af noget, vi ikke kan se, kaldet mørkt stof. Det har øvet en stærk indflydelse på kosmos, især i begyndelsen. I standardbilledet blev koldt mørkt stof (et begreb, der betyder usynlige, langsomt bevægende partikler) slynget rundt i kosmos vilkårligt. I nogle områder var dens udbredelse tættere, og i disse områder begyndte den at kollapse i klumper. Synligt stof, hvilket betyder atomer, samlet omkring klumper af mørkt stof. Da atomerne også kølede af, kondenserede de til sidst, og de første stjerner blev født. Disse nye strålingskilder genopladede det neutrale brint, der fyldte universet under den såkaldte reioniseringsepoke. Gennem tyngdekraften voksede større og mere komplekse strukturer og byggede et stort kosmisk net af galakser.

I mellemtiden blev alt ved med at flyve fra hinanden. Astronomen Edwin Hubble fandt i 1920'erne ud af, at universet udvider sig, og i slutningen af ​​1990'erne fandt hans navnebror, Hubble Space Telescope, beviser for, at udvidelsen accelererer. Tænk på universet som et brød med rosin. Det starter som en blanding af mel, vand, gær og rosiner. Når du kombinerer disse ingredienser, begynder gæren at trække vejret, og brødet begynder at hæve. Rosinerne i det - stand-ins for galakser - strækker sig længere fra hinanden, efterhånden som brødet udvider sig.

Hubble-teleskopet så, at brødet hæver sig stadig hurtigere. Rosinerne flyver fra hinanden med en hastighed, der trodser deres tyngdekraft. Denne acceleration ser ud til at være drevet af selve rummets frastødende energi - såkaldt mørk energi, som er repræsenteret af det græske bogstav Λ (udtales "lambda"). Sæt værdier for Λ, koldt mørkt stof og regulært stof og stråling ind i ligningerne i Albert Einsteins generelle relativitetsteori, og du får en model for, hvordan universet udvikler sig. Denne "lambda kolde mørkt stof" (ΛCDM) model matcher næsten alle observationer af kosmos.

En måde at teste dette billede på er ved at se på meget fjerne galakser - svarende til at se tilbage i tiden til de første par hundrede millioner år efter det enorme klap, der startede det hele. Kosmos var enklere dengang, dets udvikling lettere at sammenligne med forudsigelser.

Astronomer forsøgte første gang at se universets tidligste strukturer ved hjælp af Hubble-teleskopet i 1995. I løbet af 10 dage fangede Hubble 342 eksponeringer af en tom udseende del af rummet i Big Dipper. Astronomer var forbløffede over den overflod, der gemmer sig i det blækfarvede mørke: Hubble kunne se tusindvis af galakser på forskellige afstande og udviklingsstadier, der strækker sig tilbage til meget tidligere tider, end nogen havde forventet. Hubble ville fortsætte med at finde nogle ekstremt fjerne galakser - i 2016, astronomer fandt sin fjerneste, kaldet GN-z11, en svag plet, som de daterede til 400 millioner år efter Big Bang.

Det var overraskende tidligt for en galakse, men det såede ikke tvivl om ΛCDM-modellen til dels, fordi galaksen er lille, med kun 1 % af Mælkevejens masse, og delvist fordi den stod alene. Astronomer havde brug for et kraftigere teleskop for at se, om GN-z11 var en mærkelig kugle eller en del af en større population af forvirrende tidlige galakser, hvilket kunne hjælpe med at afgøre, om vi mangler en afgørende del af ΛCDM-opskriften.

Uforklarligt fjernt

Det næste generations rumteleskop, opkaldt efter den tidligere NASA-leder James Webb, lanceret juledag 2021. Så snart JWST blev kalibreret, dryppede lys fra tidlige galakser ind i dens følsomme elektronik. Astronomer udgav en strøm af papirer, der beskrev, hvad de så.

Forskere bruger en version af Doppler-effekten til at måle afstanden mellem objekter. Dette svarer til at finde ud af placeringen af ​​en ambulance baseret på dens sirene: Sirenen lyder højere i tonehøjde, når den nærmer sig og derefter lavere, når den trækker sig tilbage. Jo længere væk en galakse er, jo hurtigere bevæger den sig væk fra os, og derfor strækker dens lys sig til længere bølgelængder og ser rødere ud. Størrelsen af ​​denne "rødforskydning" er udtrykt som z, hvor en given værdi for z fortæller dig, hvor længe en genstands lys skal have kørt for at nå os.

En af de første aviser om JWST kom data fra Naidu, MIT-astronomen, og hans kolleger, hvis søgealgoritme markerede en galakse, der virkede uforklarligt lys og uforklarligt fjern. Naidu døbte den GLASS-z13, hvilket indikerer dens tilsyneladende afstand ved en rødforskydning på 13 - længere væk end noget tidligere set. (Galaksens rødforskydning blev senere revideret ned til 12.4, og den blev omdøbt til GLASS-z12.) Andre astronomer, der arbejdede på de forskellige sæt JWST-observationer, rapporterede rødforskydningsværdier fra 11 til 20, bl.a. en galakse kaldet CEERS-1749 eller CR2-z17-1, hvis lys ser ud til at have forladt det for 13.7 milliarder år siden, blot 220 millioner år efter Big Bang - knap et øjenblik efter begyndelsen af ​​kosmisk tid.

Disse formodede påvisninger antydede, at den pæne historie kendt som ΛCDM kunne være ufuldstændig. På en eller anden måde voksede galakser store med det samme. "I det tidlige univers forventer du ikke at se massive galakser. De har ikke haft tid til at danne så mange stjerner, og de er ikke smeltet sammen,” sagde Chris Lovell, en astrofysiker ved University of Portsmouth i England. Faktisk i et studie offentliggjort i november analyserede forskere computersimuleringer af universer styret af ΛCDM-modellen og fandt ud af, at JWSTs tidlige, lyse galakser var en størrelsesorden tungere end dem, der blev dannet samtidig med simuleringerne.

Nogle astronomer og medier hævdede, at JWST bryder kosmologien, men ikke alle var overbeviste. Et problem er, at ΛCDMs forudsigelser ikke altid er entydige. Mens mørkt stof og mørk energi er simple, har synligt stof komplekse interaktioner og adfærd, og ingen ved præcis, hvad der skete i de første år efter Big Bang; disse frenetiske tidlige tider skal tilnærmes i computersimuleringer. Det andet problem er, at det er svært at sige præcis, hvor langt væk galakser er.

I månederne efter de første aviser er alderen på nogle af de påståede højrødforskydningsgalakser blevet genovervejet. Nogle var degraderet til senere stadier af kosmisk evolution på grund af opdaterede teleskopkalibreringer. CEERS-1749 findes i et område på himlen, der indeholder en klynge af galakser, hvis lys blev udsendt for 12.4 milliarder år siden, og Naidu siger, at det er muligt, at galaksen faktisk er en del af denne hob - en tættere indgriber, der kan være fyldt med støv, der gør det virker mere rødforskudt, end det er. Ifølge Naidu er CEERS-1749 underligt, uanset hvor langt væk det er. "Det ville være en ny type galakse, som vi ikke kendte til: en meget lav masse, lille galakse, der på en eller anden måde har opbygget en masse støv i den, hvilket er noget, vi traditionelt ikke forventer," sagde han. "Der er måske bare disse nye typer objekter, der forvirrer vores søgninger efter de meget fjerne galakser."

Lyman-pausen

Alle vidste, at de mest definitive afstandsestimater ville kræve JWSTs mest kraftfulde kapacitet.

JWST observerer ikke kun stjernelys gennem fotometri eller måling af lysstyrke, men også gennem spektroskopi eller måling af lysets bølgelængder. Hvis en fotometrisk observation er som et billede af et ansigt i en menneskemængde, så er en spektroskopisk observation som en DNA-test, der kan fortælle en persons familiehistorie. Naidu og andre, der fandt store tidlige galakser, målte rødforskydning ved hjælp af lysstyrkeafledte målinger - i det væsentlige kiggede på ansigter i mængden ved hjælp af et rigtig godt kamera. Den metode er langt fra lufttæt. (På et møde i American Astronomical Society i januar spøgte astronomer, at måske halvdelen af ​​de tidlige galakser observeret med fotometri alene vil vise sig at være nøjagtigt målt.)

Men i begyndelsen af ​​december, kosmologer annoncerede at de havde kombineret begge metoder til fire galakser. JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-holdet søgte efter galakser, hvis infrarøde lysspektrum brat afskæres ved en kritisk bølgelængde kendt som Lyman-bruddet. Dette brud opstår, fordi brint, der flyder i rummet mellem galakser, absorberer lys. På grund af universets fortsatte udvidelse - det stadigt stigende rosinbrød - bliver lyset fra fjerne galakser forskudt, så bølgelængden af ​​det bratte brud skifter også. Når en galakses lys ser ud til at falde af ved længere bølgelængder, er det længere væk. JADES identificerede spektre med rødforskydninger op til 13.2, hvilket betyder, at galaksens lys blev udsendt for 13.4 milliarder år siden.

Så snart dataene blev downlinket, begyndte JADES-forskere at "flippe ud" i en delt Slack-gruppe, ifølge Kevin Hainline, en astronom ved University of Arizona. "Det var ligesom, 'Åh min Gud, åh min Gud, vi gjorde det, vi gjorde det, vi gjorde det!'" sagde han. "Disse spektre er kun begyndelsen på, hvad jeg tror vil være astronomi-ændrende videnskab."

Brant Robertson, en JADES-astronom ved University of California, Santa Cruz, siger, at resultaterne viser, at det tidlige univers ændrede sig hurtigt i dets første milliard år, hvor galakser udviklede sig 10 gange hurtigere, end de gør i dag. Det ligner, hvordan "en kolibri er et lille væsen," sagde han, "men dens hjerte banker så hurtigt, at den lever et lidt anderledes liv end andre væsner. Disse galaksers hjerteslag sker på en meget hurtigere tidsskala end noget på størrelse med Mælkevejen."

Men bankede deres hjerter for hurtigt til, at ΛCDM kunne forklare det?

Teoretiske muligheder

Da astronomer og offentligheden gabte på JWST-billeder, begyndte forskere at arbejde bag kulisserne for at afgøre, om de galakser, der blinkede ind i vores visning, virkelig hæver ΛCDM eller bare hjælpe med at finde de tal, vi skulle sætte ind i dens ligninger.

Et vigtigt, men dårligt forstået tal vedrører masserne af de tidligste galakser. Kosmologer forsøger at bestemme deres masser for at fortælle, om de matcher ΛCDM's forudsagte tidslinje for galaksevækst.

En galakses masse er afledt af dens lysstyrke. Men Megan Donahue, en astrofysiker ved Michigan State University, siger, at forholdet mellem masse og lysstyrke i bedste fald er et kvalificeret gæt, baseret på antagelser hentet fra kendte stjerner og velundersøgte galakser.

En central antagelse er, at stjerner altid dannes inden for et bestemt statistisk område af masser, kaldet den initiale massefunktion (IMF). Denne IMF-parameter er afgørende for at udlede en galakses masse ud fra målinger af dens lysstyrke, fordi varme, blå, tunge stjerner producerer mere lys, mens størstedelen af ​​en galakses masse typisk er låst inde i kølige, røde, små stjerner.

Men det er muligt, at IMF var anderledes i det tidlige univers. Hvis det er tilfældet, er JWSTs tidlige galakser måske ikke så tunge, som deres lysstyrke antyder; de kan være lyse, men lette. Denne mulighed giver hovedpine, fordi ændring af dette grundlæggende input til ΛCDM-modellen kan give dig næsten ethvert svar, du ønsker. Lovell siger, at nogle astronomer overvejer at pille ved IMF "de ondes domæne."

"Hvis vi ikke forstår den oprindelige massefunktion, så er det virkelig en udfordring at forstå galakser ved høj rødforskydning," sagde Wendy Freeman, en astrofysiker ved University of Chicago. Hendes team arbejder på observationer og computersimuleringer, der vil hjælpe med at fastlægge IMF i forskellige miljøer.

I løbet af efteråret fik mange eksperter mistanke om, at justeringer af IMF og andre faktorer kunne være nok til at kvadrere de meget gamle galakser, der lyser på JWSTs instrumenter med ΛCDM. "Jeg tror, ​​det er faktisk mere sandsynligt, at vi kan rumme disse observationer inden for standardparadigmet," sagde Rachel Somerville, en astrofysiker ved Flatiron Institute (som f.eks Quanta Magazine, er finansieret af Simons Fonden). I så fald sagde hun, "det vi lærer er: Hvor hurtigt kan [mørkt stof] haloer opsamle gassen? Hvor hurtigt kan vi få gassen til at køle af og blive tæt og lave stjerner? Måske sker det hurtigere i det tidlige univers; måske er gassen tættere; måske på en eller anden måde flyder det hurtigere ind. Jeg tror, ​​vi stadig lærer om de processer."

Somerville studerer også muligheden for, at sorte huller forstyrrede babykosmos. Astronomer har bemærket nogle få lysende supermassive sorte huller ved en rødforskydning på 6 eller 7, omkring en milliard år efter Big Bang. Det er svært at forestille sig, hvordan stjerner på det tidspunkt kunne være dannet, døde og derefter kollapset i sorte huller, der åd alt omkring dem og begyndte at udspy stråling.

Men hvis der er sorte huller inde i de formodede tidlige galakser, kan det forklare, hvorfor galakserne virker så lyse, selvom de faktisk ikke er særlig massive, sagde Somerville.

Bekræftelsen på, at ΛCDM kan rumme i det mindste nogle af JWSTs tidlige galakser, ankom dagen før jul. Astronomer ledet af Benjamin Keller ved University of Memphis afkrydset en håndfuld store supercomputersimuleringer af ΛCDM-universer og fandt ud af, at simuleringerne kunne producere galakser lige så tunge som de fire, der blev spektroskopisk undersøgt af JADES-holdet. (Disse fire er især mindre og svagere end andre påståede tidlige galakser såsom GLASS-z12.) I holdets analyse gav alle simuleringerne galakser på størrelse med JADES-fundene ved en rødforskydning på 10. En simulering kunne skabe sådanne galakser ved en rødforskydning på 13, det samme som hvad JADES så, og to andre kunne bygge galakserne med en endnu højere rødforskydning. Ingen af ​​JADES-galakserne var i spænding med det nuværende ΛCDM-paradigme, rapporterede Keller og kolleger på preprint-serveren arxiv.org den 24. december.

Selvom de mangler tyngden til at bryde den fremherskende kosmologiske model, har JADES-galakserne andre særlige karakteristika. Hainline sagde, at deres stjerner virker uforurenede af metaller fra tidligere eksploderede stjerner. Dette kan betyde, at de er Population III-stjerner - den ivrig eftersøgte første generation af stjerner, der nogensinde har antændt - og at de muligvis bidrager til genioniseringen af ​​universet. Hvis dette er sandt, så har JWST allerede kigget tilbage til den mystiske periode, hvor universet blev sat på sin nuværende kurs.

Ekstraordinært bevis

 Spektroskopisk bekræftelse af yderligere tidlige galakser kan komme til foråret, afhængigt af hvordan JWSTs tidsfordelingskomité deler tingene op. En observationskampagne kaldet WDEEP vil specifikt søge efter galakser fra mindre end 300 millioner år efter Big Bang. Efterhånden som forskere bekræfter flere galaksers afstande og bliver bedre til at estimere deres masser, vil de hjælpe med at afgøre ΛCDMs skæbne.

Mange andre observationer er allerede i gang, som kan ændre billedet for ΛCDM. Freedman, som studerer den indledende massefunktion, var oppe kl. 1 en nat og downloadede JWST-data om variable stjerner, som hun bruger som "standardlys" til at måle afstande og aldre. Disse målinger kan hjælpe med at ryste et andet potentielt problem ud med ΛCDM, kendt som Hubble-spændingen. Problemet er, at universet i øjeblikket ser ud til at udvide sig hurtigere end ΛCDM forudsiger for et 13.8 milliarder år gammelt univers. Kosmologer har masser af mulige forklaringer. Måske, spekulerer nogle kosmologer, er tætheden af ​​den mørke energi, der accelererer udvidelsen af ​​universet, ikke konstant, som i ΛCDM, men ændrer sig over tid. Ændring af universets ekspansionshistorie kan ikke kun løse Hubble-spændingen, men også revidere beregninger af universets alder ved en given rødforskydning. JWST ser måske en tidlig galakse, som den så ud, f.eks. 500 millioner år efter Big Bang i stedet for 300 millioner. Så ville selv de tungeste formodede tidlige galakser i JWSTs spejle have haft masser af tid til at smelte sammen, siger Somerville.

Astronomer løber tør for superlativer, når de taler om JWSTs tidlige galakseresultater. De peber deres samtaler med latter, udråb og udråb, selvom de minder sig selv om Carl Sagans ordsprog, uanset hvor overforbrugt, at ekstraordinære påstande kræver ekstraordinære beviser. De kan ikke vente med at få fingrene i flere billeder og spektre, som vil hjælpe dem med at finpudse eller finjustere deres modeller. "Det er de bedste problemer," sagde Boylan-Kolchin, "fordi uanset hvad du får, er svaret interessant."