Το Καθιερωμένο Μοντέλο Κοσμολογίας επιβιώνει από τα εκπληκτικά ευρήματα ενός τηλεσκοπίου

Οι ρωγμές στην κοσμολογία υποτίθεται ότι θα αργούσαν να εμφανιστούν. Αλλά όταν το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) άνοιξε τον φακό του την περασμένη άνοιξη, εξαιρετικά μακρινοί αλλά πολύ φωτεινοί γαλαξίες έλαμψαν αμέσως στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. «Ήταν τόσο ανόητα λαμπερά και απλά ξεχώριζαν», είπε Ρόχαν Ναϊντού, αστρονόμος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Οι φαινομενικές αποστάσεις των γαλαξιών από τη Γη υποδηλώνουν ότι σχηματίστηκαν πολύ νωρίτερα στην ιστορία του σύμπαντος από ό,τι περίμενε κανείς. (Όσο πιο μακριά είναι κάτι, τόσο πιο πριν το φως του φούντωσε.) Οι αμφιβολίες στροβιλίστηκαν, αλλά τον Δεκέμβριο, οι αστρονόμοι επιβεβαίωσαν ότι ορισμένοι από τους γαλαξίες είναι πράγματι τόσο μακρινοί, και επομένως τόσο αρχέγονοι, όσο φαίνονται. Ο πρώτος από αυτούς τους επιβεβαιωμένους γαλαξίες έριξε το φως του 330 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, καθιστώντας τον τον νέο κάτοχο ρεκόρ για την παλαιότερη γνωστή δομή στο σύμπαν. Αυτός ο γαλαξίας ήταν μάλλον αμυδρός, αλλά άλλοι υποψήφιοι που ήταν χαλαρά συνδεδεμένοι με την ίδια χρονική περίοδο έλαμπαν ήδη, που σημαίνει ότι ήταν δυνητικά τεράστιοι.

Πώς θα μπορούσαν τα αστέρια να αναφλεγούν μέσα σε υπέρθερμα σύννεφα αερίου τόσο σύντομα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη; Πώς θα μπορούσαν βιαστικά να υφαίνουν τον εαυτό τους σε τέτοιες τεράστιες βαρυτικά δεσμευμένες δομές; Η εύρεση τέτοιων μεγάλων, φωτεινών, πρώιμων γαλαξιών μοιάζει με την εύρεση ενός απολιθωμένου κουνελιού σε στρώματα της Προκάμβριας. «Δεν υπάρχουν μεγάλα πράγματα στις πρώτες στιγμές. Χρειάζεται λίγος χρόνος για να φτάσουμε σε μεγάλα πράγματα», είπε Mike Boylan-Kolchin, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν.

Οι αστρονόμοι άρχισαν να ρωτούν εάν η αφθονία των πρώιμων μεγάλων πραγμάτων αψηφά την τρέχουσα κατανόηση του σύμπαντος. Μερικοί ερευνητές και μέσα ενημέρωσης υποστήριξαν ότι οι παρατηρήσεις του τηλεσκοπίου έσπασαν το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας - ένα καλά δοκιμασμένο σύνολο εξισώσεων που ονομάζεται λάμδα ψυχρής σκοτεινής ύλης ή ΛCDM, μοντέλο - δείχνοντας με συναρπαστικό τρόπο τα νέα κοσμικά συστατικά ή τους νόμους που διέπουν. Έκτοτε, ωστόσο, έγινε σαφές ότι το μοντέλο ΛCDM είναι ανθεκτικό. Αντί να αναγκάσουν τους ερευνητές να ξαναγράψουν τους κανόνες της κοσμολογίας, τα ευρήματα του JWST αναγκάζουν τους αστρονόμους να ξανασκεφτούν πώς δημιουργούνται οι γαλαξίες, ειδικά στην κοσμική αρχή. Το τηλεσκόπιο δεν έχει ακόμη σπάσει την κοσμολογία, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η περίπτωση των πολύ πρώιμων γαλαξιών θα αποδειχθεί οτιδήποτε άλλο παρά εποχική.

Απλούστεροι χρόνοι

Για να δούμε γιατί η ανίχνευση πολύ πρώιμων, φωτεινών γαλαξιών είναι εκπληκτική, βοηθά να κατανοήσουμε τι γνωρίζουν οι κοσμολόγοι - ή νομίζουν ότι ξέρουν - για το σύμπαν.

Μετά το Big Bang, το βρεφικό σύμπαν άρχισε να ψύχεται. Μέσα σε λίγα εκατομμύρια χρόνια, το κυλώντας πλάσμα που γέμιζε το διάστημα κατακάθισε και τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια συνδυάστηκαν σε άτομα, κυρίως ουδέτερο υδρογόνο. Τα πράγματα ήταν ήσυχα και σκοτεινά για μια περίοδο αβέβαιης διάρκειας γνωστή ως κοσμικοί σκοτεινοί αιώνες. Τότε κάτι έγινε.

Το μεγαλύτερο μέρος του υλικού που διαλύθηκε μετά τη Μεγάλη Έκρηξη αποτελείται από κάτι που δεν μπορούμε να δούμε, που ονομάζεται σκοτεινή ύλη. Έχει ασκήσει ισχυρή επιρροή στον κόσμο, ειδικά στην αρχή. Στην τυπική εικόνα, η ψυχρή σκοτεινή ύλη (ένας όρος που σημαίνει αόρατα, αργά κινούμενα σωματίδια) πετάχτηκε στον κόσμο αδιακρίτως. Σε ορισμένες περιοχές η κατανομή του ήταν πιο πυκνή και σε αυτές τις περιοχές άρχισε να καταρρέει σε συστάδες. Ορατή ύλη, δηλαδή άτομα, συγκεντρωμένη γύρω από τις συστάδες της σκοτεινής ύλης. Καθώς τα άτομα ψύχονταν επίσης, τελικά συμπυκνώθηκαν και γεννήθηκαν τα πρώτα αστέρια. Αυτές οι νέες πηγές ακτινοβολίας επαναφόρτισαν το ουδέτερο υδρογόνο που γέμιζε το σύμπαν κατά τη λεγόμενη εποχή του επαναιονισμού. Μέσω της βαρύτητας, μεγαλύτερες και πιο σύνθετες δομές αναπτύχθηκαν, χτίζοντας έναν τεράστιο κοσμικό ιστό γαλαξιών.

Εν τω μεταξύ, όλα συνέχιζαν να πετάνε χώρια. Ο αστρονόμος Edwin Hubble κατάλαβε στη δεκαετία του 1920 ότι το σύμπαν διαστέλλεται και στα τέλη της δεκαετίας του 1990, ο συνονόματός του, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, βρήκε στοιχεία ότι η διαστολή επιταχύνεται. Σκεφτείτε το σύμπαν σαν ένα καρβέλι σταφιδόψωμο. Ξεκινά ως μείγμα από αλεύρι, νερό, μαγιά και σταφίδες. Όταν συνδυάσετε αυτά τα συστατικά, η μαγιά αρχίζει να αναπνέει και το καρβέλι αρχίζει να φουσκώνει. Οι σταφίδες μέσα σε αυτό - βάσεις για γαλαξίες - απλώνονται πιο μακριά η μια από την άλλη καθώς το καρβέλι διαστέλλεται.

Το τηλεσκόπιο Hubble είδε ότι το καρβέλι ανεβαίνει όλο και πιο γρήγορα. Οι σταφίδες διαλύονται με ρυθμό που αψηφά τη βαρυτική τους έλξη. Αυτή η επιτάχυνση φαίνεται να καθοδηγείται από την απωστική ενέργεια του ίδιου του διαστήματος - τη λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, η οποία αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα Λ (προφέρεται «λάμδα»). Συνδέστε τις τιμές για το Λ, την ψυχρή σκοτεινή ύλη και την κανονική ύλη και ακτινοβολία στις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και θα έχετε ένα μοντέλο για το πώς εξελίσσεται το σύμπαν. Αυτό το μοντέλο «λάμδα ψυχρής σκοτεινής ύλης» (ΛCDM) ταιριάζει σχεδόν με όλες τις παρατηρήσεις του σύμπαντος.

Ένας τρόπος για να δοκιμάσετε αυτήν την εικόνα είναι κοιτάζοντας πολύ μακρινούς γαλαξίες - ισοδύναμο με το να κοιτάξετε πίσω στο χρόνο στα πρώτα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά το τρομερό χειροκρότημα που τα ξεκίνησε όλα. Το σύμπαν ήταν απλούστερο τότε, η εξέλιξή του ήταν πιο εύκολο να συγκριθεί με τις προβλέψεις.

Οι αστρονόμοι προσπάθησαν για πρώτη φορά να δουν τις αρχαιότερες δομές του σύμπαντος χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Hubble το 1995. Σε διάστημα 10 ημερών, το Hubble κατέγραψε 342 εκθέσεις ενός κενού τμήματος του διαστήματος στη Μεγάλη Άρκτο. Οι αστρονόμοι έμειναν έκπληκτοι από την αφθονία που κρύβονταν στο μελάνι σκοτάδι: το Hubble μπορούσε να δει χιλιάδες γαλαξίες σε διαφορετικές αποστάσεις και στάδια ανάπτυξης, που εκτείνονται σε πολύ παλαιότερες εποχές από ό,τι περίμενε κανείς. Το Hubble θα συνέχιζε να βρίσκει μερικούς εξαιρετικά μακρινούς γαλαξίες — το 2016, αστρονόμοι βρήκε το πιο μακρινό του, που ονομάζεται GN-z11, μια αμυδρή μουντζούρα που χρονολόγησαν στα 400 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Αυτό ήταν εκπληκτικά νωρίς για έναν γαλαξία, αλλά δεν δημιούργησε αμφιβολίες για το μοντέλο ΛCDM εν μέρει επειδή ο γαλαξίας είναι μικροσκοπικός, με μόλις 1% της μάζας του Γαλαξία, και εν μέρει επειδή ήταν μόνος του. Οι αστρονόμοι χρειάζονταν ένα πιο ισχυρό τηλεσκόπιο για να δουν εάν το GN-z11 ήταν μια περίεργη σφαίρα ή μέρος ενός μεγαλύτερου πληθυσμού αινιγματικής πρώιμων γαλαξιών, το οποίο θα μπορούσε να βοηθήσει να προσδιορίσουμε αν χάνουμε ένα κρίσιμο κομμάτι της συνταγής ΛCDM.

Ανεξήγητα Απόμακρος

Αυτό το διαστημικό τηλεσκόπιο επόμενης γενιάς, που πήρε το όνομά του από τον πρώην ηγέτη της NASA, James Webb, κυκλοφόρησε την ημέρα των Χριστουγέννων του 2021. Μόλις το JWST βαθμονομήθηκε, φως από πρώιμους γαλαξίες έσταξε στα ευαίσθητα ηλεκτρονικά του. Οι αστρονόμοι δημοσίευσαν μια πλημμύρα από έγγραφα που περιγράφουν αυτό που είδαν.

Οι ερευνητές χρησιμοποιούν μια εκδοχή του φαινομένου Doppler για να μετρήσουν τις αποστάσεις των αντικειμένων. Αυτό είναι παρόμοιο με τον εντοπισμό της θέσης ενός ασθενοφόρου με βάση τη σειρήνα του: Η σειρήνα ηχεί υψηλότερα καθώς πλησιάζει και στη συνέχεια χαμηλώνει καθώς υποχωρεί. Όσο πιο μακριά είναι ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνεται από εμάς, και έτσι το φως του εκτείνεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος και φαίνεται πιο κόκκινο. Το μέγεθος αυτής της «κόκκινης μετατόπισης» εκφράζεται ως z, όπου μια δεδομένη τιμή για z σας λέει πόσο καιρό πρέπει να έχει διανύσει το φως ενός αντικειμένου για να φτάσει σε εμάς.

Ένα από τα πρώτα χαρτιά σχετικά με τα δεδομένα του JWST προέρχονταν από τον Naidu, τον αστρονόμο του MIT, και τους συναδέλφους του, των οποίων ο αλγόριθμος αναζήτησης επισήμανε έναν γαλαξία που φαινόταν ανεξήγητα φωτεινός και αδικαιολόγητα μακρινός. Ο Naidu το ονόμασε GLASS-z13, υποδεικνύοντας τη φαινομενική απόστασή του σε μια μετατόπιση προς το κόκκινο 13 — πιο μακριά από οτιδήποτε έχει δει πριν. (Η ερυθρή μετατόπιση του γαλαξία αναθεωρήθηκε αργότερα σε 12.4 και μετονομάστηκε σε GLASS-z12.) Άλλοι αστρονόμοι που εργάζονταν στα διάφορα σύνολα παρατηρήσεων του JWST ανέφεραν τιμές μετατόπισης στο ερυθρό από 11 σε 20, συμπεριλαμβανομένων ένας γαλαξίας που ονομάζεται CEERS-1749 ή CR2-z17-1, το φως του οποίου φαίνεται να το άφησε πριν από 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια, μόλις 220 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη — μόλις ένα βλεφαράκι μετά την αρχή του κοσμικού χρόνου.

Αυτές οι υποτιθέμενες ανιχνεύσεις υποδηλώνουν ότι η τακτοποιημένη ιστορία γνωστή ως ΛCDM μπορεί να είναι ημιτελής. Κάπως έτσι, οι γαλαξίες έγιναν τεράστιοι αμέσως. «Στο πρώιμο σύμπαν, δεν περιμένεις να δεις τεράστιους γαλαξίες. Δεν είχαν χρόνο να σχηματίσουν τόσα πολλά αστέρια και δεν έχουν συγχωνευθεί μεταξύ τους», είπε ο Chris Lovell, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Portsmouth στην Αγγλία. Πράγματι, σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκαν τον Νοέμβριο, οι ερευνητές ανέλυσαν προσομοιώσεις σε υπολογιστή συμπάντων που διέπονται από το μοντέλο ΛCDM και διαπίστωσαν ότι οι πρώτοι, φωτεινοί γαλαξίες του JWST ήταν μια τάξη μεγέθους βαρύτεροι από αυτούς που σχηματίστηκαν ταυτόχρονα στις προσομοιώσεις.

Ορισμένοι αστρονόμοι και μέσα ενημέρωσης ισχυρίστηκαν ότι το JWST έσπασε την κοσμολογία, αλλά δεν ήταν όλοι πεπεισμένοι. Ένα πρόβλημα είναι ότι οι προβλέψεις του ΛCDM δεν είναι πάντα ξεκάθαρες. Ενώ η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια είναι απλές, η ορατή ύλη έχει πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις και συμπεριφορές, και κανείς δεν ξέρει ακριβώς τι έπεσε τα πρώτα χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. αυτοί οι φρενήρεις πρώιμοι χρόνοι πρέπει να προσεγγιστούν σε προσομοιώσεις υπολογιστή. Το άλλο πρόβλημα είναι ότι είναι δύσκολο να πει κανείς πόσο μακριά βρίσκονται οι γαλαξίες.

Στους μήνες που ακολούθησαν τα πρώτα έγγραφα, οι ηλικίες ορισμένων από τους υποτιθέμενους γαλαξίες υψηλής μετατόπισης ερυθρών έχουν επανεξεταστεί. Καπου υποβιβασμένη σε μεταγενέστερα στάδια της κοσμικής εξέλιξης λόγω των ενημερωμένων βαθμονομήσεων των τηλεσκοπίων. Ο CEERS-1749 βρίσκεται σε μια περιοχή του ουρανού που περιέχει ένα σμήνος γαλαξιών του οποίου το φως εκπέμπεται πριν από 12.4 δισεκατομμύρια χρόνια, και ο Naidu λέει ότι είναι πιθανό ο γαλαξίας να είναι στην πραγματικότητα μέρος αυτού του σμήνος - ένας πιο κοντινός παρεμποδιστής που μπορεί να είναι γεμάτος με σκόνη που κάνει φαίνεται πιο κόκκινο από ό, τι είναι. Σύμφωνα με τον Naidu, το CEERS-1749 είναι περίεργο όσο μακριά κι αν είναι. «Θα ήταν ένας νέος τύπος γαλαξία για τον οποίο δεν γνωρίζαμε: ένας πολύ μικρής μάζας, μικροσκοπικός γαλαξίας που με κάποιο τρόπο έχει δημιουργήσει πολλή σκόνη σε αυτόν, κάτι που παραδοσιακά δεν περιμένουμε», είπε. «Μπορεί απλώς να υπάρχουν αυτοί οι νέοι τύποι αντικειμένων που συγχέουν τις αναζητήσεις μας για τους πολύ μακρινούς γαλαξίες».

The Lyman Break

Όλοι γνώριζαν ότι οι πιο οριστικές εκτιμήσεις απόστασης θα απαιτούσαν την πιο ισχυρή ικανότητα του JWST.

Το JWST όχι μόνο παρατηρεί το φως των αστεριών μέσω φωτομετρίας ή μέτρησης της φωτεινότητας, αλλά και μέσω φασματοσκοπίας ή μέτρησης των μηκών κύματος του φωτός. Εάν μια φωτομετρική παρατήρηση είναι σαν μια εικόνα ενός προσώπου σε ένα πλήθος, τότε μια φασματοσκοπική παρατήρηση είναι σαν ένα τεστ DNA που μπορεί να πει το οικογενειακό ιστορικό ενός ατόμου. Ο Naidu και άλλοι που βρήκαν μεγάλους πρώιμους γαλαξίες μέτρησαν την ερυθρή μετατόπιση χρησιμοποιώντας μετρήσεις που προέρχονται από τη φωτεινότητα - ουσιαστικά κοιτάζοντας τα πρόσωπα στο πλήθος χρησιμοποιώντας μια πραγματικά καλή κάμερα. Αυτή η μέθοδος απέχει πολύ από το να είναι αεροστεγής. (Σε μια συνεδρίαση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας τον Ιανουάριο, οι αστρονόμοι έκαναν πλάκα ότι ίσως οι μισοί από τους πρώιμους γαλαξίες που παρατηρήθηκαν μόνο με φωτομετρία θα αποδειχθούν ότι έχουν μετρηθεί με ακρίβεια.)

Αλλά στις αρχές Δεκεμβρίου, οι κοσμολόγοι ανακοίνωσε ότι είχαν συνδυάσει και τις δύο μεθόδους για τέσσερις γαλαξίες. Η ομάδα JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) αναζήτησε γαλαξίες των οποίων το φάσμα υπέρυθρου φωτός αποκόπτεται απότομα σε ένα κρίσιμο μήκος κύματος γνωστό ως σπάσιμο του Lyman. Αυτό το σπάσιμο συμβαίνει επειδή το υδρογόνο που επιπλέει στο χώρο μεταξύ των γαλαξιών απορροφά το φως. Λόγω της συνεχιζόμενης διαστολής του σύμπαντος - του διαρκώς ανερχόμενου σταφιδικού καρβελιού - το φως των μακρινών γαλαξιών μετατοπίζεται, έτσι μετατοπίζεται και το μήκος κύματος αυτής της απότομης ρήξης. Όταν το φως ενός γαλαξία φαίνεται να πέφτει σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, είναι πιο απόμακρος. Το JADES εντόπισε φάσματα με μετατοπίσεις στο ερυθρό έως και 13.2, που σημαίνει ότι το φως του γαλαξία εκπέμπεται πριν από 13.4 δισεκατομμύρια χρόνια.

Μόλις τα δεδομένα υποβιβάστηκαν, οι ερευνητές του JADES άρχισαν να «ξεφοβίζονται» σε μια κοινή ομάδα Slack, σύμφωνα με Kevin Hainline, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. «Ήταν σαν, «Θεέ μου, ω Θεέ μου, το κάναμε, το κάναμε, το κάναμε!» είπε. «Αυτά τα φάσματα είναι μόνο η αρχή αυτού που πιστεύω ότι θα είναι η επιστήμη που θα αλλάξει την αστρονομία».

Μπραντ Ρόμπερτσον, ένας αστρονόμος του JADES στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Κρουζ, λέει ότι τα ευρήματα δείχνουν ότι το πρώιμο σύμπαν άλλαξε γρήγορα στα πρώτα του δισεκατομμύρια χρόνια, με τους γαλαξίες να εξελίσσονται 10 φορές πιο γρήγορα από ό,τι σήμερα. Είναι παρόμοιο με το πώς «ένα κολιμπρί είναι ένα μικρό πλάσμα», είπε, «αλλά η καρδιά του χτυπά τόσο γρήγορα που ζει κάπως διαφορετική ζωή από άλλα πλάσματα. Ο καρδιακός παλμός αυτών των γαλαξιών συμβαίνει σε πολύ πιο γρήγορη χρονική κλίμακα από κάτι στο μέγεθος του Γαλαξία.»

Αλλά οι καρδιές τους χτυπούσαν πολύ γρήγορα για να το εξηγήσει το ΛCDM;

Θεωρητικές Δυνατότητες

Καθώς οι αστρονόμοι και το κοινό κοίταζαν τις εικόνες του JWST, οι ερευνητές άρχισαν να εργάζονται στα παρασκήνια για να προσδιορίσουν εάν οι γαλαξίες που αναβοσβήνουν στην άποψή μας όντως ανατρέπουν το ΛCDM ή απλώς βοηθούν να καταγράψουμε τους αριθμούς που πρέπει να συνδέσουμε στις εξισώσεις του.

Ένας σημαντικός αλλά ελάχιστα κατανοητός αριθμός αφορά τις μάζες των πρώιμων γαλαξιών. Οι κοσμολόγοι προσπαθούν να προσδιορίσουν τις μάζες τους για να πουν αν ταιριάζουν με το προβλεπόμενο χρονοδιάγραμμα της ανάπτυξης των γαλαξιών του ΛCDM.

Η μάζα ενός γαλαξία προέρχεται από τη φωτεινότητά του. Αλλά Μέγκαν Ντονάχου, ένας αστροφυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, λέει ότι στην καλύτερη περίπτωση, η σχέση μεταξύ μάζας και φωτεινότητας είναι μια μορφωμένη εικασία, βασισμένη σε υποθέσεις που προέρχονται από γνωστά αστέρια και καλά μελετημένους γαλαξίες.

Μια βασική υπόθεση είναι ότι τα αστέρια σχηματίζονται πάντα μέσα σε ένα συγκεκριμένο στατιστικό εύρος μαζών, που ονομάζεται συνάρτηση αρχικής μάζας (IMF). Αυτή η παράμετρος IMF είναι κρίσιμη για τη σταχυολόγηση της μάζας ενός γαλαξία από τις μετρήσεις της φωτεινότητάς του, επειδή τα καυτά, μπλε, βαριά αστέρια παράγουν περισσότερο φως, ενώ η πλειονότητα της μάζας ενός γαλαξία είναι συνήθως κλειδωμένη σε δροσερά, κόκκινα, μικρά αστέρια.

Αλλά είναι πιθανό ότι το ΔΝΤ ήταν διαφορετικό στο πρώιμο σύμπαν. Αν ναι, οι πρώτοι γαλαξίες του JWST μπορεί να μην είναι τόσο βαρείς όσο υποδηλώνει η φωτεινότητά τους. μπορεί να είναι φωτεινά αλλά ελαφριά. Αυτή η πιθανότητα προκαλεί πονοκεφάλους, επειδή η αλλαγή αυτής της βασικής εισαγωγής στο μοντέλο ΛCDM θα μπορούσε να σας δώσει σχεδόν οποιαδήποτε απάντηση θέλετε. Ο Lovell λέει ότι ορισμένοι αστρονόμοι εξετάζουν το ενδεχόμενο να ασχοληθούν με το ΔΝΤ «τον τομέα των κακών».

«Αν δεν καταλαβαίνουμε την αρχική συνάρτηση μάζας, τότε η κατανόηση των γαλαξιών σε υψηλή μετατόπιση προς το κόκκινο είναι πραγματικά μια πρόκληση», είπε. Γουέντι Φρίμαν, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Η ομάδα της εργάζεται σε παρατηρήσεις και προσομοιώσεις υπολογιστή που θα βοηθήσουν να εντοπιστεί το ΔΝΤ σε διαφορετικά περιβάλλοντα.

Κατά τη διάρκεια της πτώσης, πολλοί ειδικοί υποψιάστηκαν ότι οι προσαρμογές στο ΔΝΤ και άλλοι παράγοντες θα μπορούσαν να είναι αρκετές για να τετραγωνίσουν τους πολύ αρχαίους γαλαξίες που φωτίζουν τα όργανα του JWST με ΛCDM. "Νομίζω ότι είναι στην πραγματικότητα πιο πιθανό να μπορούμε να ενσωματώσουμε αυτές τις παρατηρήσεις στο τυπικό παράδειγμα", είπε Ρέιτσελ Σόμερβιλ, αστροφυσικός στο Flatiron Institute (το οποίο, όπως Quanta Magazine, χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons). Σε αυτή την περίπτωση, είπε, «αυτό που μαθαίνουμε είναι: Πόσο γρήγορα μπορούν τα φωτοστέφανα [της σκοτεινής ύλης] να συλλέξουν το αέριο; Πόσο γρήγορα μπορούμε να κάνουμε το αέριο να κρυώσει και να γίνει πυκνό και να φτιάξουμε αστέρια; Ίσως αυτό συμβαίνει πιο γρήγορα στο πρώιμο σύμπαν. ίσως το αέριο είναι πιο πυκνό? ίσως με κάποιο τρόπο ρέει πιο γρήγορα. Νομίζω ότι ακόμα μαθαίνουμε για αυτές τις διαδικασίες».

Ο Somerville μελετά επίσης την πιθανότητα οι μαύρες τρύπες να παρεμβαίνουν στον κόσμο του μωρού. Οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει μερικές λαμπερές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες με μετατόπιση προς το κόκκινο 6 ή 7, περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Είναι δύσκολο να συλλάβουμε πώς, μέχρι εκείνη την εποχή, τα αστέρια θα μπορούσαν να είχαν σχηματιστεί, να πεθάνουν και στη συνέχεια να καταρρεύσουν σε μαύρες τρύπες που έφαγαν τα πάντα γύρω τους και άρχισαν να εκτοξεύουν ακτινοβολία.

Αλλά αν υπάρχουν μαύρες τρύπες μέσα στους υποτιθέμενους πρώιμους γαλαξίες, αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί οι γαλαξίες φαίνονται τόσο φωτεινοί, ακόμα κι αν στην πραγματικότητα δεν είναι πολύ μεγάλοι, είπε ο Somerville.

Η επιβεβαίωση ότι το ΛCDM μπορεί να φιλοξενήσει τουλάχιστον μερικούς από τους πρώτους γαλαξίες του JWST έφτασε μια μέρα πριν από τα Χριστούγεννα. Αστρονόμοι με επικεφαλής Μπέντζαμιν Κέλερ στο Πανεπιστήμιο του Μέμφις τετραγωνισμένος μια χούφτα σημαντικών προσομοιώσεων υπερυπολογιστών των συμπάντων ΛCDM και διαπίστωσε ότι οι προσομοιώσεις θα μπορούσαν να παράγουν γαλαξίες τόσο βαρείς όσο οι τέσσερις που μελετήθηκαν φασματοσκοπικά από την ομάδα JADES. (Αυτοί οι τέσσερις είναι, κυρίως, μικρότεροι και πιο αμυδροί από άλλους υποτιθέμενους πρώιμους γαλαξίες όπως ο GLASS-z12.) Στην ανάλυση της ομάδας, όλες οι προσομοιώσεις απέδωσαν γαλαξίες στο μέγεθος των ευρημάτων του JADES με μετατόπιση 10 στο κόκκινο. Μία προσομοίωση θα μπορούσε να δημιουργήσει τέτοιους γαλαξίες σε μια ερυθρή μετατόπιση 13, το ίδιο με αυτό που είδε ο JADES, και δύο άλλοι θα μπορούσαν να χτίσουν τους γαλαξίες σε μια ακόμη μεγαλύτερη μετατόπιση στο κόκκινο. Κανένας από τους γαλαξίες JADES δεν ήταν σε ένταση με το τρέχον παράδειγμα ΛCDM, ανέφεραν ο Keller και οι συνεργάτες του στον διακομιστή προεκτύπωσης arxiv.org στις 24 Δεκεμβρίου.

Αν και δεν έχουν το βάρος για να σπάσουν το κυρίαρχο κοσμολογικό μοντέλο, οι γαλαξίες JADES έχουν άλλα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Η Hainline είπε ότι τα αστέρια τους φαίνονται αμόλυντα από μέταλλα από αστέρια που είχαν εκραγεί στο παρελθόν. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι είναι αστέρια του Πληθυσμού ΙΙΙ - η πρώτης γενιάς αστεριών που περιζήτησε φανερά ποτέ - και ότι μπορεί να συμβάλλουν στον επαναιονισμό του σύμπαντος. Εάν αυτό είναι αλήθεια, τότε το JWST έχει ήδη κοιτάξει πίσω στη μυστηριώδη περίοδο όταν το σύμπαν βρισκόταν στην τρέχουσα πορεία του.

Έκτακτα Στοιχεία

 Η φασματοσκοπική επιβεβαίωση πρόσθετων πρώιμων γαλαξιών θα μπορούσε να έρθει αυτή την άνοιξη, ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο η επιτροπή κατανομής χρόνου του JWST διαχωρίζει τα πράγματα. Μια εκστρατεία παρατήρησης που ονομάζεται WDEEP θα αναζητήσει συγκεκριμένα γαλαξίες λιγότερο από 300 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Καθώς οι ερευνητές επιβεβαιώνουν τις αποστάσεις περισσότερων γαλαξιών και γίνονται καλύτεροι στην εκτίμηση της μάζας τους, θα βοηθήσουν να διευθετηθεί η μοίρα του ΛCDM.

Πολλές άλλες παρατηρήσεις βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη που θα μπορούσαν να αλλάξουν την εικόνα για το ΛCDM. Η Freedman, η οποία μελετά την αρχική συνάρτηση μάζας, ξύπνησε στη 1 π.μ. μια νύχτα κατεβάζοντας δεδομένα JWST για μεταβλητά αστέρια που χρησιμοποιεί ως «τυπικά κεριά» για τη μέτρηση αποστάσεων και ηλικιών. Αυτές οι μετρήσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εξάλειψη ενός άλλου πιθανού προβλήματος με το ΛCDM, γνωστό ως τάση Hubble. Το πρόβλημα είναι ότι το σύμπαν προς το παρόν φαίνεται να διαστέλλεται ταχύτερα από ό,τι προβλέπει το ΛCDM για ένα σύμπαν ηλικίας 13.8 δισεκατομμυρίων ετών. Οι κοσμολόγοι έχουν πολλές πιθανές εξηγήσεις. Ίσως, εικάζουν ορισμένοι κοσμολόγοι, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας που επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος δεν είναι σταθερή, όπως στο ΛCDM, αλλά αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Η αλλαγή της ιστορίας της διαστολής του σύμπαντος μπορεί όχι μόνο να επιλύσει την ένταση του Hubble αλλά και να αναθεωρήσει τους υπολογισμούς της ηλικίας του σύμπαντος σε μια δεδομένη μετατόπιση προς το κόκκινο. Το JWST μπορεί να βλέπει έναν πρώιμο γαλαξία όπως εμφανίστηκε, για παράδειγμα, 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη αντί για 300 εκατομμύρια χρόνια. Τότε ακόμη και οι πιο βαρείς υποτιθέμενοι πρώιμοι γαλαξίες στους καθρέφτες του JWST θα είχαν αρκετό χρόνο για να συνενωθούν, λέει ο Somerville.

Οι αστρονόμοι ξεμένουν από υπερθετικά όταν μιλούν για τα πρώτα αποτελέσματα των γαλαξιών του JWST. Πιερώνουν τις συζητήσεις τους με γέλια, επισημάνσεις και επιφωνήματα, παρόλο που θυμίζουν στον εαυτό τους την παροιμία του Καρλ Σάγκαν, όσο υπερβολικά χρησιμοποιήθηκε, ότι οι εξαιρετικοί ισχυρισμοί απαιτούν ασυνήθιστα στοιχεία. Ανυπομονούν να πάρουν στα χέρια τους περισσότερες εικόνες και φάσματα, που θα τους βοηθήσουν να βελτιώσουν ή να τροποποιήσουν τα μοντέλα τους. «Αυτά είναι τα καλύτερα προβλήματα», είπε ο Boylan-Kolchin, «γιατί ό,τι κι αν πάρεις, η απάντηση είναι ενδιαφέρουσα».