Kosmoloogia standardmudel elab üle teleskoobi üllatavatest leidudest

Kosmoloogia pragude ilmnemine pidi aega võtma. Kuid kui James Webbi kosmoseteleskoop (JWST) eelmisel kevadel oma objektiivi avas, paistsid teleskoobi vaatevälja kohe ülikauged, kuid väga eredad galaktikad. "Need olid lihtsalt nii tobedalt heledad ja paistsid lihtsalt silma," ütles Rohan Naidu, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi astronoom.

Galaktikate näiv kaugus Maast viitas sellele, et nad tekkisid universumi ajaloos palju varem, kui keegi eeldas. (Mida kaugemal miski on, seda kauem süttis selle valgus.) Kahtlused keerlesid, kuid detsembris kinnitasid astronoomid, et mõned galaktikad on tõepoolest nii kauged ja seega nii ürgsed, kui nad paistavad. Varaseim neist kinnitatud galaktikatest heitis valgust 330 miljonit aastat pärast Suurt Pauku, muutes selle universumi varasema teadaoleva struktuuri uueks rekordiomanikuks. See galaktika oli üsna hämar, kuid teised sama ajaperioodiga lõdvalt seotud kandidaadid paistsid juba eredalt, mis tähendab, et nad olid potentsiaalselt ülimahukad.

Kuidas said tähed ülekuumenenud gaasipilvedes nii ruttu pärast Suurt Pauku süttida? Kuidas said nad end kiirustades sellistesse tohututesse gravitatsiooniga seotud struktuuridesse põimida? Selliste suurte, heledate ja varajaste galaktikate leidmine näib olevat sarnane kivistunud küüliku leidmisega eelkambriumi kihtidest. “Varasematel aegadel pole suuri asju. Suurte asjadeni jõudmine võtab natuke aega,” ütles Mike Boylan-Kolchin, Austini Texase ülikooli teoreetiline füüsik.

Astronoomid hakkasid küsima, kas varajaste suurte asjade rohkus rikub praegust arusaama kosmosest. Mõned teadlased ja meediaväljaanded väitsid, et teleskoobi vaatlused rikuvad kosmoloogia standardmudelit - hästi testitud võrrandite kogumit, mida nimetatakse lambda külmaks tumeaineks või ΛCDM-mudeliks -, mis viitab põnevalt uutele kosmilistele koostisosadele või valitsevatele seadustele. Sellest ajast alates on aga selgeks saanud, et ΛCDM-mudel on vastupidav. Selle asemel, et sundida teadlasi kosmoloogiareegleid ümber kirjutama, on JWST-i avastused astronoomidel, kes mõtlevad ümber galaktikate loomise viisid, eriti kosmilises alguses. Teleskoop pole veel kosmoloogiat rikkunud, kuid see ei tähenda, et liiga varajaste galaktikate juhtum oleks midagi muud kui epohhaalne.

Lihtsamad ajad

Et mõista, miks väga varajaste heledate galaktikate tuvastamine on üllatav, aitab see mõista, mida kosmoloogid universumist teavad või arvavad teadvat.

Pärast Suurt Pauku hakkas imikute universum jahtuma. Mõne miljoni aasta jooksul paika loksus ruumi täitnud vulisev plasma ning elektronid, prootonid ja neutronid ühinesid aatomiteks, enamasti neutraalseks vesinikuks. Asjad olid vaiksed ja pimedad ebakindla perioodi jooksul, mida tuntakse kosmilise pimeduse ajastuna. Siis juhtus midagi.

Suurem osa materjalist, mis pärast Suurt Pauku laiali lendas, on valmistatud millestki, mida me ei näe, mida nimetatakse tumeaineks. See on avaldanud kosmosele tugevat mõju, eriti alguses. Standardpildil paiskus külma tumeainet (termin, mis tähendab nähtamatuid, aeglaselt liikuvaid osakesi) valimatult ümber kosmose. Mõnes piirkonnas oli selle levik tihedam ja neis piirkondades hakkas see tükkideks lagunema. Nähtav aine, mis tähendab aatomeid, on koondunud tumeaine tükkide ümber. Kui ka aatomid jahtusid, kondenseerusid nad lõpuks ja sündisid esimesed tähed. Need uued kiirgusallikad laadisid neutraalset vesinikku, mis täitis universumi niinimetatud reionisatsiooni epohhi ajal. Gravitatsiooni mõjul kasvasid suuremad ja keerukamad struktuurid, luues tohutu galaktikate kosmilise võrgu.

Vahepeal lendas kõik laiali. Astronoom Edwin Hubble sai 1920. aastatel aru, et universum paisub, ja 1990. aastate lõpus leidis tema nimekaim Hubble'i kosmoseteleskoop tõendeid paisumise kiirenemise kohta. Mõelge universumist kui rosinaleibast. See algab jahu, vee, pärmi ja rosinate seguna. Kui ühendate need koostisosad, hakkab pärm hingama ja päts hakkab kerkima. Selle sees olevad rosinad – galaktikate alused – venivad pätsi paisudes üksteisest kaugemale.

Hubble'i teleskoop nägi, et päts tõuseb üha kiiremini. Rosinad lendavad laiali kiirusega, mis trotsib nende gravitatsioonilist külgetõmmet. Näib, et seda kiirendust juhib kosmose enda tõrjuv energia - nn tume energia, mida tähistab kreeka täht Λ (hääldatakse "lambda"). Ühendage Λ, külma tumeaine ning tavalise aine ja kiirguse väärtused Albert Einsteini üldise relatiivsusteooria võrranditega ja saate mudeli universumi arengu kohta. See lambda külma tumeaine (ΛCDM) mudel sobib peaaegu kõigi kosmosevaatlustega.

Üks võimalus seda pilti testida on vaadata väga kaugeid galaktikaid – see on samaväärne ajas tagasivaatamisega esimese paarisaja miljoni aastani pärast tohutut plaksu, millest see kõik alguse sai. Kosmos oli siis lihtsam, selle arengut oli ennustustega lihtsam võrrelda.

Astronoomid püüdsid Hubble'i teleskoobi abil näha universumi kõige varasemaid struktuure 1995. aastal. 10 päeva jooksul jäädvustas Hubble 342 säritust Suure Vankri tühjana tunduvast ruumilaigust. Astronoomid hämmastas tindipimeduses peitunud arvukus: Hubble võis näha tuhandeid galaktikaid erinevatel kaugustel ja arenguetappidel, ulatudes tagasi palju varasematesse aegadesse, kui keegi eeldas. Hubble avastas mõned äärmiselt kauged galaktikad – 2016. aastal leidsid astronoomid leidis oma kõige kaugema, nimega GN-z11, nõrk plekk, mille nad dateerisid 400 miljonit aastat pärast Suurt Pauku.

See oli galaktika jaoks üllatavalt varane, kuid see ei seadnud ΛCDM mudelit osaliselt kahtluse alla, kuna galaktika on väike, moodustades vaid 1% Linnutee massist, ja osaliselt seetõttu, et see seisis üksi. Astronoomid vajasid võimsamat teleskoopi, et näha, kas GN-z11 on veider või osa suuremast mõistatuslikult varajaste galaktikate populatsioonist, mis võiks aidata kindlaks teha, kas meil on puudu ΛCDM retseptist mõni oluline osa.

Arusaadamatult kaugel

See järgmise põlvkonna kosmoseteleskoop, mis sai nime NASA endise juhi James Webbi järgi, käivitati 2021. aasta jõulupühal. Niipea, kui JWST kalibreeriti, tilkus varajaste galaktikate valgus selle tundlikku elektroonikasse. Astronoomid avaldasid tulva pabereid, mis kirjeldasid, mida nad nägid.

Teadlased kasutavad objektide kauguste mõõtmiseks Doppleri efekti versiooni. See sarnaneb kiirabiauto asukoha väljaselgitamisega selle sireeni põhjal: sireen kõlab lähenedes kõrgemalt ja seejärel taandudes madalamalt. Mida kaugemal galaktika on, seda kiiremini see meist eemaldub ja seega ulatub selle valgus pikematele lainepikkustele ja näib punasem. Selle "punase nihke" suurust väljendatakse järgmiselt z, kus antud väärtus z ütleb teile, kui kaua peab objekti valgus meieni jõudmiseks läbima.

Üks esimesi pabereid JWST-i andmed pärinesid MIT-i astronoomilt Naidult ja tema kolleegidelt, kelle otsingualgoritm märgistas galaktika, mis tundus seletamatult hele ja seletamatult kauge. Naidu andis sellele nimeks GLASS-z13, näidates selle nähtavat kaugust 13 punase nihke juures — kaugemal kui varem nähtud. (Galaktika punanihet muudeti hiljem 12.4-ni ja see nimetati ümber GLASS-z12.) Teised astronoomid, kes töötasid erinevate JWST-vaatluste komplektidega, teatasid punanihke väärtustest 11-st 20-le, sealhulgas üks galaktika nimega CEERS-1749 või CR2-z17-1, mille valgus näib olevat sealt lahkunud 13.7 miljardit aastat tagasi, vaid 220 miljonit aastat pärast Suurt Pauku – vaevalt silmapilk pärast kosmilise aja algust.

Need oletatavad tuvastamised viitasid sellele, et puhas lugu, mida tuntakse ΛCDM-ina, võib olla puudulik. Millegipärast kasvasid galaktikad kohe suureks. "Varases universumis ei eeldata, et näete massiivseid galaktikaid. Neil pole olnud aega nii palju tähti moodustada ja nad pole ka kokku sulanud,” ütles Inglismaa Portsmouthi ülikooli astrofüüsik Chris Lovell. Tõepoolest, sisse uuringus Novembris avaldatud ajakirjas analüüsisid teadlased ΛCDM-mudeliga juhitud universumite arvutisimulatsioone ja leidsid, et JWST-i varased heledad galaktikad olid suurusjärgu võrra raskemad kui need, mis simulatsioonides samaaegselt tekkisid.

Mõned astronoomid ja meediaväljaanded väitsid, et JWST rikub kosmoloogiat, kuid mitte kõik polnud selles veendunud. Üks probleem on see, et ΛCDM ennustused ei ole alati selged. Kuigi tumeaine ja tumeenergia on lihtsad, on nähtaval ainel keeruline vastastikmõju ja käitumine ning keegi ei tea täpselt, mis esimestel aastatel pärast Suurt Pauku läks; need hullud varased ajad peavad olema arvutisimulatsioonides ligikaudsed. Teine probleem on see, et on raske täpselt öelda, kui kaugel galaktikad on.

Esimeste paberite ilmumisest möödunud kuude jooksul on mõne väidetava suure punase nihkega galaktikate vanus uuesti läbi vaadatud. Mõned olid alandatud kosmilise evolutsiooni hilisematesse etappidesse tänu uuendatud teleskoobi kalibreerimisele. CEERS-1749 leidub taevapiirkonnas, mis sisaldab galaktikate parve, mille valgust kiirgati 12.4 miljardit aastat tagasi, ja Naidu sõnul on võimalik, et galaktika on tegelikult selle parve osa – lähem põikleja, mis võib olla täidetud tolmuga, mis muudab see näib olevat punanihkem kui see on. Naidu sõnul on CEERS-1749 kummaline, ükskõik kui kaugel see ka poleks. "See oleks uut tüüpi galaktika, millest me ei teadnud: väga väikese massiga pisike galaktika, mis on sellesse kuidagi palju tolmu kogunud, mida me traditsiooniliselt ei oota," ütles ta. "Seal võib lihtsalt olla neid uut tüüpi objekte, mis segavad meie otsinguid väga kaugete galaktikate kohta."

Lymani vaheaeg

Kõik teadsid, et kõige täpsemate vahemaahinnangute jaoks on vaja JWST kõige võimsamat võimekust.

JWST ei vaatle tähevalgust mitte ainult fotomeetria või heleduse mõõtmise, vaid ka spektroskoopia või valguse lainepikkuste mõõtmise abil. Kui fotomeetriline vaatlus on nagu pilt näost rahvahulga sees, siis spektroskoopiline vaatlus on nagu DNA-test, mis võib öelda inimese perekonnaloo. Naidu ja teised, kes avastasid suuri varajasi galaktikaid, mõõtsid punanihket heleduse mõõtmiste abil – sisuliselt vaadates rahvahulga nägusid, kasutades tõeliselt head kaamerat. See meetod pole kaugeltki õhukindel. (Ameerika astronoomiaühingu jaanuarikuu koosolekul väitsid astronoomid, et võib-olla pooled ainuüksi fotomeetria abil vaadeldud varajastest galaktikatest osutuvad täpselt mõõdetuks.)

Detsembri alguses aga kosmoloogid teatas et nad olid kombineerinud mõlemad meetodid nelja galaktika jaoks. JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) meeskond otsis galaktikaid, mille infrapunavalguse spekter katkeb järsult kriitilisel lainepikkusel, mida tuntakse Lymani murdumisena. See katkestus tekib seetõttu, et galaktikatevahelises ruumis hõljuv vesinik neelab valgust. Universumi jätkuva paisumise – üha tõusva rosinapätsi – tõttu nihkub kaugete galaktikate valgus, mistõttu nihkub ka selle järsu katkestuse lainepikkus. Kui galaktika valgus näib langevat pikematel lainepikkustel, on see kaugemal. JADES tuvastas spektrid punanihkega kuni 13.2, mis tähendab, et galaktika valgus kiirgas 13.4 miljardit aastat tagasi.

Niipea kui andmed allalingiti, hakkasid JADES-i teadlased ühises Slacki grupis "ära minema". Kevin Hainline, Arizona ülikooli astronoom. "See oli nagu "Oh issand, issand jumal, me tegime seda, me tegime seda, me tegime seda!"," ütles ta. "Need spektrid on alles algus sellele, mis minu arvates saab olema astronoomiat muutev teadus."

Brant Robertson, California ülikooli Santa Cruzi astronoom JADES ütleb, et leiud näitavad, et varane universum muutus oma esimese miljardi aastaga kiiresti ning galaktikad arenesid 10 korda kiiremini kui praegu. See sarnaneb sellega, kuidas "kolibri on väike olend," ütles ta, "kuid tema süda lööb nii kiiresti, et ta elab kuidagi teistsugust elu kui teised olendid. Nende galaktikate südamelöögid toimuvad palju kiiremini kui Linnutee suurune asi.

Kuid kas nende süda peksis liiga kiiresti, et ΛCDM seda seletaks?

Teoreetilised võimalused

Kui astronoomid ja avalikkus JWST-pilte silmitsesid, hakkasid teadlased kulisside taga töötama, et teha kindlaks, kas meie vaateväljas vilksatavad galaktikad tõesti tõstavad ΛCDM-i või aitavad lihtsalt kokku panna numbrid, mille peaksime selle võrranditesse ühendama.

Üks oluline, kuid halvasti mõistetav arv puudutab kõige varasemate galaktikate masse. Kosmoloogid püüavad määrata nende massi, et teha kindlaks, kas need vastavad ΛCDM-i ennustatud galaktikate kasvu ajajoonele.

Galaktika mass tuletatakse selle heledusest. Aga Megan Donahue, Michigani osariigi ülikooli astrofüüsik, ütleb, et parimal juhul on massi ja heleduse suhe haritud oletus, mis põhineb oletustel, mis on kogutud teadaolevatest tähtedest ja hästi uuritud galaktikatest.

Üks peamisi eeldusi on see, et tähed moodustuvad alati teatud statistilise massivahemiku piires, mida nimetatakse esialgseks massifunktsiooniks (IMF). See IMF-i parameeter on galaktika massi määramisel selle heleduse mõõtmise põhjal ülioluline, sest kuumad, sinised, rasked tähed toodavad rohkem valgust, samas kui suurem osa galaktika massist on tavaliselt lukustatud jahedate punaste väikeste tähtedega.

Kuid on võimalik, et IMF oli varases universumis teistsugune. Kui jah, siis ei pruugi JWST varajased galaktikad olla nii rasked, kui nende heledus eeldab; need võivad olla heledad, kuid kerged. See võimalus tekitab peavalu, sest selle põhisisendi muutmine ΛCDM mudelile võib anda peaaegu igasuguse vastuse, mida soovid. Lovell ütleb, et mõned astronoomid peavad IMF-iga askeldamist "pahade pärusmaaks".

"Kui me esialgsest massifunktsioonist aru ei saa, on galaktikate mõistmine suure punanihke korral tõesti väljakutse," ütles ta. Wendy Freeman, Chicago ülikooli astrofüüsik. Tema meeskond töötab vaatluste ja arvutisimulatsioonide kallal, mis aitavad IMF-i erinevates keskkondades kindlaks teha.

Sügise jooksul hakkasid paljud eksperdid kahtlustama, et IMF-i ja muude tegurite muudatustest võib piisata, et JWST-i instrumente ΛCDM-iga valgustada väga iidsed galaktikad. "Ma arvan, et tegelikult on tõenäolisem, et suudame need tähelepanekud standardparadigmasse mahutada," ütles ta. Rachel Somerville, Flatironi Instituudi astrofüüsik (mis nagu Quanta Magazine, rahastab Simonsi fond). Sel juhul ütles ta: "Me õpime järgmist: kui kiiresti suudavad [tumeaine] halod gaasi koguda? Kui kiiresti saame panna gaasi jahtuma ja tihenema ning teha tähti? Võib-olla juhtub see varajases universumis kiiremini; võib-olla on gaas tihedam; võib-olla voolab see kuidagi kiiremini sisse. Ma arvan, et me alles õpime neid protsesse tundma.

Somerville uurib ka võimalust, et mustad augud segasid beebi kosmost. Astronoomidel on märkasin mõned hõõguvad ülimassiivsed mustad augud punanihkega 6 või 7, umbes miljard aastat pärast Suurt Pauku. Raske on ette kujutada, kuidas võisid selleks ajaks tähed tekkida, surra ja seejärel mustadeks aukudeks kokku kukkuda, mis sõid ära kõik ümbritseva ja hakkasid kiirgust paiskama.

Kuid kui oletatavates varajastes galaktikates on mustad augud, võib see selgitada, miks galaktikad tunduvad nii heledad, isegi kui nad pole tegelikult väga massiivsed, ütles Somerville.

Päev enne jõule saabus kinnitus, et ΛCDM mahutab vähemalt mõned JWSTi varased galaktikad. Astronoomid eesotsas Benjamin Keller Memphise ülikoolis kontrollitud käputäis suuremaid ΛCDM universumite superarvutisimulatsioone ja leidis, et simulatsioonid võivad tekitada nii raskeid galaktikaid kui neli, mida JADESi meeskond spektroskoopiliselt uuris. (Need neli on eelkõige väiksemad ja tuhmimad kui teised väidetavad varajased galaktikad, nagu GLASS-z12.) Meeskonna analüüsi kohaselt andsid kõik simulatsioonid JADES-i leidude suurused galaktikad punase nihkega 10. Ühe simulatsiooni abil saab selliseid galaktikaid luua. punase nihkega 13, sama, mida JADES nägi, ja kaks teist võiksid ehitada galaktikaid veelgi suurema punanihkega. Ükski JADES-galaktikatest ei olnud pinges praeguse ΛCDM-i paradigmaga, teatas Keller ja tema kolleegid 24. detsembril trükieelses serveris arxiv.org.

Kuigi neil pole piisavalt jõudu, et murda valitsevat kosmoloogilist mudelit, on JADES-galaktikatel ka muid eriomadusi. Hainline ütles, et nende tähed tunduvad varem plahvatanud tähtede metallidest saastamata. See võib tähendada, et need on III populatsiooni tähed – innukalt otsitud esimene tähtede põlvkond, mis kunagi süttib – ja et nad võivad aidata kaasa universumi taasioniseerimisele. Kui see on tõsi, siis on JWST juba tagasi vaadanud salapärasesse perioodi, mil universum pandi oma praegusele kursile.

Erakorralised tõendid

 Täiendavate varajaste galaktikate spektroskoopiline kinnitus võib tulla sel kevadel, sõltuvalt sellest, kuidas JWST ajajaotuskomitee asju jagab. Vaatluskampaania nimega WDEEP otsib konkreetselt galaktikaid vähem kui 300 miljoni aasta pärast Suurt Pauku. Kuna teadlased kinnitavad rohkemate galaktikate kaugusi ja saavad nende massi paremini hinnata, aitavad need lahendada ΛCDM-i saatust.

Paljud teised vaatlused on juba käimas, mis võivad ΛCDM-i pilti muuta. Freedman, kes uurib algmassi funktsiooni, tõusis öösel kell 1 öösel ja laadis alla JWST andmeid muutuvate tähtede kohta, mida ta kasutab vahemaade ja vanuse mõõtmiseks "standardküünaldena". Need mõõtmised võivad aidata kõrvaldada veel ühe võimaliku ΛCDM-i probleemi, mida tuntakse Hubble'i pingena. Probleem on selles, et universum näib praegu paisuvat kiiremini, kui ΛCDM ennustab 13.8 miljardi aasta vanusele universumile. Kosmoloogidel on palju võimalikke seletusi. Võib-olla oletavad mõned kosmoloogid, et universumi paisumist kiirendava tumeenergia tihedus ei ole konstantne, nagu ΛCDM-is, vaid muutub aja jooksul. Universumi paisumisajaloo muutmine ei pruugi mitte ainult lahendada Hubble'i pinget, vaid ka vaadata üle universumi vanuse arvutused antud punanihke korral. JWST võib näha varajast galaktikat sellisena, nagu see ilmus, näiteks 500 miljonit aastat pärast Suurt Pauku, mitte 300 miljonit aastat. Siis oleks isegi kõige raskematel oletatavatel varastel galaktikatel JWST peeglites olnud piisavalt aega ühinemiseks, ütleb Somerville.

Astronoomidel saavad ülivõrded otsa, kui nad räägivad JWSTi varastest galaktika tulemustest. Nad lisavad oma vestlusi naeru, ekslausete ja hüüatustega, isegi kui nad tuletavad endale meelde Carl Sagani kõnekäändu, olgugi ülemäära kasutatud, et erakordsed väited nõuavad erakordseid tõendeid. Nad ei jõua ära oodata, millal saavad kätte rohkem pilte ja spektreid, mis aitavad neil mudeleid lihvida või kohandada. "Need on parimad probleemid," ütles Boylan-Kolchin, "sest olenemata sellest, mida saate, on vastus huvitav."