A kozmológia szabványos modellje túléli a távcső meglepő leleteit

A kozmológia repedéseinek megjelenéséhez eltartott egy ideig. Ám amikor tavaly tavasszal a James Webb Űrteleszkóp (JWST) kinyitotta lencséjét, a rendkívül távoli, de nagyon fényes galaxisok azonnal bevilágítottak a távcső látóterébe. „Olyan ostobán fényesek voltak, és egyszerűen kitűntek” – mondta Rohan Naidu, a Massachusetts Institute of Technology csillagásza.

A galaxisok Földtől való látszólagos távolsága azt sugallja, hogy sokkal korábban alakultak ki a világegyetem történetében, mint azt bárki gondolta. (Minél távolabb van valami, annál régebben lobbant fel a fénye.) Kétségek kavarogtak, de decemberben a csillagászok megerősítették, hogy egyes galaxisok valóban olyan távoliak, és ezért olyan ősiek, mint amilyennek látszanak. A megerősített galaxisok közül a legkorábbi 330 millió évvel az Ősrobbanás után derítette fényét, ezzel a világegyetem legkorábbi ismert szerkezetének új rekorderévé vált. Ez a galaxis meglehetősen homályos volt, de más, ugyanahhoz az időszakhoz lazán kötődő jelöltek már fényesen ragyogtak, vagyis potenciálisan nagyok.

Hogyan gyulladhattak ki csillagok a túlhevített gázfelhőkben ilyen hamar az Ősrobbanás után? Hogyan szőtték bele magukat sietve ilyen hatalmas gravitációs kötött szerkezetekbe? Az ilyen nagy, fényes, korai galaxisok megtalálása olyan, mintha egy megkövesedett nyulat találnánk a prekambriumi rétegekben. „A korai időkben nincsenek nagy dolgok. Kell egy kis idő, mire nagy dolgokra jutunk” – mondta Mike Boylan-Kolchin, az austini Texasi Egyetem elméleti fizikusa.

A csillagászok elkezdték kérdezni, hogy a korai nagy dolgok bősége dacol-e a kozmosz jelenlegi felfogásával. Egyes kutatók és sajtóorgánumok azt állították, hogy a távcső megfigyelései megszegik a kozmológia standard modelljét – a lambda hideg sötét anyagnak vagy ΛCDM-nek nevezett, jól bevált egyenletkészletet –, amely izgalmasan új kozmikus összetevőkre vagy szabályozó törvényekre mutat rá. Azóta azonban világossá vált, hogy a ΛCDM modell rugalmas. Ahelyett, hogy a kutatókat arra kényszerítenék, hogy átírják a kozmológia szabályait, a JWST eredményei szerint a csillagászok újragondolják a galaxisok létrejöttét, különösen a kozmikus kezdetben. A teleszkóp még nem törte meg a kozmológiát, de ez nem jelenti azt, hogy a túl korai galaxisok esete nem lesz korszakos.

Egyszerűbb idők

Ahhoz, hogy megértsük, miért meglepő a nagyon korai, fényes galaxisok észlelése, segít megérteni, hogy a kozmológusok mit tudnak – vagy mit gondolnak tudniuk – az univerzumról.

Az ősrobbanás után a csecsemőkori univerzum lehűlni kezdett. Néhány millió éven belül az űrt kitöltő hömpölygő plazma leülepedett, az elektronok, protonok és neutronok atomokká, többnyire semleges hidrogénné egyesültek. A dolgok csendesek és sötétek voltak a kozmikus sötét korszaknak nevezett bizonytalan ideig. Aztán történt valami.

Az ősrobbanás után szétrepült anyag nagy része valamiből, amit nem látunk, az úgynevezett sötét anyagból áll. Erőteljes befolyást gyakorolt ​​a kozmoszra, különösen kezdetben. A szabványos képen a hideg sötét anyag (a kifejezés láthatatlan, lassan mozgó részecskéket jelent) válogatás nélkül repült a kozmosz körül. Egyes területeken sűrűbb volt az elterjedése, és ezeken a területeken csomókká kezdett összeomlani. A látható anyag, vagyis az atomok, a sötét anyag csomói köré csoportosulva. Ahogy az atomok is lehűlnek, végül összecsapódtak, és megszülettek az első csillagok. Ezek az új sugárforrások feltöltötték a semleges hidrogént, amely betöltötte az univerzumot az úgynevezett reionizációs korszakban. A gravitáció révén nagyobb és összetettebb struktúrák nőttek ki, amelyek hatalmas kozmikus galaxishálót építettek fel.

Közben minden egyre szétszállt. Edwin Hubble csillagász az 1920-as években rájött, hogy az univerzum tágul, a kilencvenes évek végén pedig névrokonja, a Hubble Űrteleszkóp bizonyítékot talált arra, hogy a tágulás felgyorsul. Gondolj az univerzumra, mint egy vekni mazsolás kenyérre. Liszt, víz, élesztő és mazsola keverékéből indul ki. Ha ezeket a hozzávalókat összekevered, az élesztő lélegezni kezd, és a cipó kelni kezd. A benne lévő mazsola – a galaxisok helye – egyre távolabb nyúlik egymástól, ahogy a cipó tágul.

A Hubble-teleszkóp látta, hogy a kenyér egyre gyorsabban emelkedik. A mazsola olyan sebességgel repül szét, amely dacol gravitációs vonzásukkal. Úgy tűnik, hogy ezt a gyorsulást magának a térnek a taszító energiája – az úgynevezett sötét energia – hajtja, amelyet a görög Λ betű (ejtsd: „lambda”) jelöl. Csatlakoztassa a Λ, a hideg sötét anyag, valamint a szabályos anyag és sugárzás értékeit Albert Einstein általános relativitáselméletének egyenleteihez, és modellt kap az univerzum fejlődéséről. Ez a „lambda hideg sötét anyag” (ΛCDM) modell szinte az összes kozmosz megfigyelésnek megfelel.

A kép tesztelésének egyik módja az, hogy nagyon távoli galaxisokat nézünk – ez egyenértékű azzal, mintha visszanéznénk az időben az első néhány százmillió évre a hatalmas taps után, amely az egészet elindította. A kozmosz akkoriban egyszerűbb volt, evolúciója könnyebben összehasonlítható az előrejelzésekkel.

A csillagászok először 1995-ben próbálták megnézni az univerzum legkorábbi struktúráit a Hubble-teleszkóppal. 10 nap alatt a Hubble 342 felvételt készített egy üresnek tűnő űrfoltról a Nagy Göncölben. A csillagászokat lenyűgözte a tintás sötétben megbúvó bőség: a Hubble galaxisok ezreit láthatta különböző távolságokban és fejlődési szakaszokban, amelyek sokkal korábbi időkre nyúlnak vissza, mint azt bárki várta. A Hubble tovább találna néhány rendkívül távoli galaxist – 2016-ban a csillagászok megtalálta a legtávolabbi, a GN-z11, egy halvány folt, amelyet 400 millió évvel az Ősrobbanás után datáltak.

Ez meglepően korai volt egy galaxis számára, de részben azért nem vonta kétségbe a ΛCDM modellt, mert a galaxis kicsi, a Tejútrendszer tömegének mindössze 1%-a, részben pedig azért, mert egyedül állt. A csillagászoknak nagyobb teljesítményű távcsőre volt szükségük, hogy megtudják, a GN-z11 egy furcsa golyó, vagy egy rejtélyesen korai galaxisok nagyobb populációjának része, ami segíthet meghatározni, hogy hiányzik-e a ΛCDM receptúra ​​egy döntő része.

Beszámíthatatlanul távoli

Az a következő generációs űrteleszkóp, amelyet a NASA korábbi vezetőjéről, James Webbről neveztek el. 2021 karácsonyán indult. Amint a JWST-t kalibrálták, a korai galaxisok fénye beszivárgott az érzékeny elektronikába. A csillagászok rengeteg újságot adtak ki a látottakról.

A kutatók a Doppler-effektus egy változatát használják az objektumok távolságának mérésére. Ez hasonló ahhoz, hogy a sziréna alapján kitaláljuk egy mentőautó helyét: A sziréna magasabb hangerővel szólal meg, amikor közeledik, majd lejjebb, amikor távolodik. Minél távolabb van egy galaxis, annál gyorsabban távolodik el tőlünk, így fénye hosszabb hullámhosszra nyúlik, és vörösebbnek tűnik. Ennek a „vöröseltolódásnak” a nagyságát a következőképpen fejezzük ki z, ahol egy adott érték a z megmutatja, mennyi ideig kellett egy tárgy fényének eljutnia hozzánk.

Az első lapok egyike A JWST-n az adatok Naidutól, az MIT csillagászától és kollégáitól származtak, akiknek keresési algoritmusa egy megmagyarázhatatlanul fényesnek és megmagyarázhatatlanul távolinak tűnő galaxist jelölt meg. A Naidu GLASS-z13-nak nevezte el, 13-as vöröseltolódásnál jelezve a látszólagos távolságát – távolabb, mint bármi korábban. (A galaxis vöröseltolódását később 12.4-re módosították, és átnevezték GLASS-z12-re.) Más csillagászok, akik a JWST megfigyelések különböző sorozatain dolgoztak, 11-ről 20-ra számoltak vöröseltolódási értékekről, köztük egy CEERS-1749 nevű galaxis vagy a CR2-z17-1, amelynek fénye a jelek szerint 13.7 milliárd évvel ezelőtt hagyta el, mindössze 220 millió évvel az Ősrobbanás után – alig egy szempillantásnyira a kozmikus idő kezdete után.

Ezek a feltételezett észlelések arra utaltak, hogy a ΛCDM néven ismert ügyes történet esetleg hiányos. Valahogy a galaxisok azonnal hatalmasra nőttek. „A korai univerzumban nem számíthat arra, hogy hatalmas galaxisokat fog látni. Nem volt idejük annyi csillagot alkotni, és nem is olvadtak össze” – mondta Chris Lovell, az angliai Portsmouth Egyetem asztrofizikusa. Valóban, be Egy tanulmány A novemberben közzétett cikkben a kutatók a ΛCDM-modell által irányított univerzumok számítógépes szimulációit elemezték, és megállapították, hogy a JWST korai fényes galaxisai egy nagyságrenddel nehezebbek, mint azok, amelyek a szimulációk során egyidejűleg keletkeztek.

Egyes csillagászok és sajtóorgánumok azt állították, hogy a JWST megtöri a kozmológiát, de nem mindenki volt meggyőződve róla. Az egyik probléma az, hogy a ΛCDM előrejelzései nem mindig egyértelműek. Míg a sötét anyag és a sötét energia egyszerű, a látható anyagnak összetett kölcsönhatásai és viselkedései vannak, és senki sem tudja pontosan, mi történt az ősrobbanás utáni első években; ezeket a frenetikus korai időket számítógépes szimulációkban kell közelíteni. A másik probléma az, hogy nehéz pontosan megmondani, milyen messze vannak a galaxisok.

Az első dokumentumok megjelenése óta eltelt hónapokban néhány állítólagos nagy vöröseltolódású galaxis korát újragondolták. Valahol lefokozott a kozmikus evolúció későbbi szakaszaiba a frissített teleszkóp-kalibrációk miatt. A CEERS-1749-et az égbolt egy olyan régiójában találták meg, amely egy galaxishalmazt tartalmaz, amelyek fényét 12.4 milliárd évvel ezelőtt bocsátották ki, és Naidu szerint lehetséges, hogy a galaxis valójában ennek a halmaznak a része – egy közelebbi interloper, amely tele van porral, ami vöröseltolódásosabbnak tűnik, mint amilyen. Naidu szerint a CEERS-1749 furcsa, akármilyen messze van is. „Ez egy új típusú galaxis lenne, amelyről nem is tudtunk: egy nagyon kis tömegű, apró galaxis, amely valahogy sok port halmoz fel benne, amire hagyományosan nem számítunk” – mondta. "Lehet, hogy ezek az új típusú objektumok megzavarják a nagyon távoli galaxisok keresését."

A Lyman-szünet

Mindenki tudta, hogy a legmeghatározóbb távolságbecsléshez a JWST legerősebb képességére lesz szükség.

A JWST nemcsak fotometriával vagy fényerőméréssel figyeli a csillagfényt, hanem spektroszkópiával vagy a fény hullámhosszának mérésével is. Ha a fotometriai megfigyelés olyan, mint egy arc képe a tömegben, akkor a spektroszkópiai megfigyelés olyan, mint egy DNS-teszt, amely meg tudja mondani az egyén családtörténetét. Naidu és mások, akik nagy korai galaxisokat találtak, a vöröseltolódást fényerőből származó mérésekkel mérték – lényegében a tömeg arcait nézték egy igazán jó kamerával. Ez a módszer messze nem légmentes. (Az Amerikai Csillagászati ​​Társaság januári ülésén a csillagászok felvetették, hogy a csak fotometriával megfigyelt korai galaxisok fele bizonyul majd pontosan megmérhetőnek.)

De december elején a kozmológusok bejelentés hogy négy galaxisra kombinálták mindkét módszert. A JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) csapata olyan galaxisokat keresett, amelyek infravörös fényspektruma hirtelen megszakad a Lyman-törésként ismert kritikus hullámhosszon. Ez a törés azért következik be, mert a galaxisok közötti térben lebegő hidrogén elnyeli a fényt. Az univerzum folyamatos tágulása – az egyre emelkedő mazsolás cipó – miatt a távoli galaxisok fénye eltolódik, így ennek a hirtelen törésnek a hullámhossza is eltolódik. Amikor úgy tűnik, hogy egy galaxis fénye hosszabb hullámhosszon esik le, akkor távolabb van. A JADES 13.2-ig vöröseltolódásos spektrumokat azonosított, ami azt jelenti, hogy a galaxis fényét 13.4 milliárd évvel ezelőtt bocsátották ki.

Amint az adatokat lefelé linkelték, a JADES kutatói elkezdtek „kiborulni” egy közös Slack-csoportban. Kevin Hainline, az Arizonai Egyetem csillagásza. „Olyan volt, mint: „Istenem, istenem, megcsináltuk, megcsináltuk, megcsináltuk!” – mondta. "Ezek a spektrumok csak a kezdete annak, ami szerintem a csillagászatot megváltoztatja."

Brant Robertson, a Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetem JADES csillagásza szerint az eredmények azt mutatják, hogy a korai univerzum gyorsan változott az első milliárd évében, és a galaxisok 10-szer gyorsabban fejlődtek, mint manapság. Ez hasonlít ahhoz, hogy „a kolibri kis teremtés” – mondta –, de a szíve olyan gyorsan ver, hogy egészen más életet él, mint a többi lény. Ezeknek a galaxisoknak a szívverése sokkal gyorsabb ütemben zajlik, mint valami akkora, mint a Tejútrendszer.”

De vajon túl gyorsan ver a szívük ahhoz, hogy a ΛCDM megmagyarázza?

Elméleti lehetőségek

Miközben a csillagászok és a közvélemény tátott szájjal meredt a JWST képeire, a kutatók a színfalak mögött elkezdtek dolgozni, hogy megállapítsák, vajon a látókörünkbe pislogó galaxisok valóban felforgatják-e a ΛCDM-et, vagy csak segítenek leszögezni azokat a számokat, amelyeket be kell illesztenünk az egyenleteibe.

Egy fontos, de kevéssé ismert szám a legkorábbi galaxisok tömegére vonatkozik. A kozmológusok megpróbálják meghatározni tömegüket, hogy megállapítsák, megfelelnek-e a ΛCDM által megjósolt galaxisnövekedési idővonalnak.

A galaxis tömege a fényességéből adódik. De Megan Donahue, a Michigani Állami Egyetem asztrofizikusa szerint a tömeg és a fényesség közötti kapcsolat a legjobb esetben is megalapozott feltételezés, amely ismert csillagokból és jól tanulmányozott galaxisokból származó feltételezéseken alapul.

Az egyik legfontosabb feltételezés az, hogy a csillagok mindig egy bizonyos statisztikai tömegtartományon belül alakulnak ki, amelyet kezdeti tömegfüggvénynek (IMF) neveznek. Ez az IMF-paraméter kulcsfontosságú a galaxis tömegének a fényességmérések alapján történő meghatározásához, mivel a forró, kék, nehéz csillagok több fényt bocsátanak ki, míg a galaxis tömegének nagy része jellemzően hideg, vörös, kis csillagokban van elrendezve.

De lehetséges, hogy az IMF más volt a korai univerzumban. Ha igen, akkor lehet, hogy a JWST korai galaxisai nem olyan nehezek, mint a fényességük sugallja; lehet, hogy fényesek, de világosak. Ez a lehetőség fejfájást okoz, mert ennek az alapbemenetnek a ΛCDM modellre történő módosítása szinte bármilyen választ adhat. Lovell szerint egyes csillagászok „a gonoszok birodalmának” tartják az IMF-fel való babrálást.

"Ha nem értjük a kezdeti tömegfüggvényt, akkor a nagy vöröseltolódású galaxisok megértése valóban kihívást jelent" - mondta Wendy Freeman, a Chicagói Egyetem asztrofizikusa. Csapata megfigyeléseken és számítógépes szimulációkon dolgozik, amelyek segítenek meghatározni az IMF-et különböző környezetekben.

Az ősz folyamán sok szakértő arra gyanakodott, hogy az IMF-en és más tényezőkön végzett változtatások elegendőek lehetnek ahhoz, hogy a JWST műszerein megvilágított nagyon ősi galaxisokat ΛCDM-mel állítsák be. "Szerintem sokkal valószínűbb, hogy ezeket a megfigyeléseket a standard paradigmán belül tudjuk fogadni" - mondta. Rachel Somerville, a Flatiron Institute asztrofizikusa (ami pl Quanta Magazine, amelyet a Simons Alapítvány finanszíroz). Ebben az esetben azt mondta: „amit megtudunk: milyen gyorsan képesek a [sötét anyag] fényudvarok összegyűjteni a gázt? Milyen gyorsan tudjuk lehűlni és sűrűsíteni a gázt, és csillagokat készíteni? Talán ez gyorsabban történik a korai univerzumban; talán a gáz sűrűbb; talán valahogy gyorsabban folyik be. Azt hiszem, még tanulunk ezekről a folyamatokról.”

Somerville azt is vizsgálja, hogy a fekete lyukak beavatkoztak a babakozmoszba. A csillagászoknak van észrevette néhány izzó szupermasszív fekete lyuk 6 vagy 7 vöröseltolódásnál, körülbelül egymilliárd évvel az Ősrobbanás után. Nehéz elképzelni, hogy addigra a csillagok hogyan keletkezhettek, meghalhattak, majd fekete lyukakká omlottak össze, amelyek felfaltak mindent, ami körülveszi őket, és elkezdtek sugározni.

De ha vannak fekete lyukak a feltételezett korai galaxisokban, ez megmagyarázhatja, miért tűnnek olyan fényesnek a galaxisok, még ha valójában nem is túl nagy tömegűek, mondta Somerville.

Karácsony előtti napon megérkezett a megerősítés, hogy a ΛCDM képes befogadni a JWST korai galaxisainak legalább egy részét. Csillagászok vezetésével Benjamin Keller a Memphisi Egyetemen ellenőrzött maroknyi nagy szuperszámítógépes szimulációt a ΛCDM univerzumokról, és megállapították, hogy a szimulációk olyan nehéz galaxisokat hozhatnak létre, mint a JADES csapata által spektroszkópiailag vizsgált négy galaxis. (Ez a négy különösen kisebb és halványabb, mint más állítólagos korai galaxisok, mint például a GLASS-z12.) A csapat elemzése szerint az összes szimuláció 10-es vöröseltolódás mellett olyan galaxisokat eredményezett, mint a JADES-lelet. Egy szimulációval ilyen galaxisokat lehetne létrehozni. 13-as vöröseltolódásnál, ugyanaz, mint amit a JADES látott, és másik kettő még magasabb vöröseltolódás mellett építheti a galaxisokat. A JADES galaxisok egyike sem volt feszültségben a jelenlegi ΛCDM paradigmával, Keller és munkatársai számoltak be az arxiv.org preprint szerverről december 24-én.

Noha nincs bennük annyi erő, hogy megtörjék az uralkodó kozmológiai modellt, a JADES-galaxisoknak más különleges jellemzőik is vannak. Hainline elmondta, hogy csillagaikat nem szennyezik a korábban felrobbant csillagok fémei. Ez azt jelentheti, hogy a III. populációba tartozó csillagokról van szó – a mohón keresett első csillagnemzedékről, amely valaha is meggyullad –, és hogy hozzájárulhatnak az univerzum reionizációjához. Ha ez igaz, akkor a JWST már visszanézett abba a titokzatos időszakba, amikor az univerzum a jelenlegi pályára állt.

Rendkívüli bizonyíték

 A további korai galaxisok spektroszkópiai megerősítése idén tavasszal jöhet, attól függően, hogy a JWST időelosztó bizottsága hogyan osztja meg a dolgokat. A WDEEP nevű megfigyelő kampány kifejezetten az Ősrobbanás utáni kevesebb mint 300 millió évről származó galaxisokat keres. Ahogy a kutatók megerősítik több galaxis távolságát, és egyre jobban meg tudják becsülni tömegüket, segíteni fognak a ΛCDM sorsának eldöntésében.

Sok más megfigyelés már folyamatban van, amelyek megváltoztathatják a ΛCDM képét. Freedman, aki a kezdeti tömegfüggvényt tanulmányozza, egy éjjel hajnali 1-kor kelt, és letöltötte a JWST változócsillagokra vonatkozó adatokat, amelyeket „standard gyertyákként” használ a távolságok és korok mérésére. Ezek a mérések segíthetnek a ΛCDM egy másik lehetséges problémájának, a Hubble-feszültségnek nevezett probléma kiküszöbölésében. A probléma az, hogy az univerzum jelenleg gyorsabban tágul, mint azt a ΛCDM egy 13.8 milliárd éves univerzumra jósolná. A kozmológusoknak rengeteg lehetséges magyarázata van. Egyes kozmológusok feltételezik, hogy a világegyetem tágulását felgyorsító sötét energia sűrűsége nem állandó, mint a ΛCDM-ben, hanem idővel változik. Az univerzum tágulási történetének megváltoztatása nemcsak a Hubble-feszültséget oldhatja meg, hanem felülvizsgálhatja az univerzum korára vonatkozó számításokat is egy adott vöröseltolódás mellett. Lehet, hogy a JWST egy korai galaxist lát úgy, ahogyan az megjelent, mondjuk, 500 millió évvel az ősrobbanás után, nem pedig 300 millióval. Akkor még a JWST tükrében lévő feltételezett legsúlyosabb korai galaxisoknak is bőven lett volna idejük egyesülni, mondja Somerville.

A csillagászok kifogynak a szuperlatívuszokból, amikor a JWST korai galaxiseredményeiről beszélnek. Beszélgetéseiket nevetéssel, kikiáltásokkal és felkiáltásokkal borsozzák meg, még akkor is, ha emlékeztetik magukat Carl Sagan közmondására, bármennyire is használják, miszerint a rendkívüli állításokhoz rendkívüli bizonyítékokra van szükség. Alig várják, hogy több képre és spektrumra kerüljenek a kezükbe, ami segít nekik csiszolni vagy finomítani modelljeit. „Ezek a legjobb problémák – mondta Boylan-Kolchin –, mert bármit is kapsz, a válasz érdekes.