Standaardmodel van kosmologie overleeft de verrassende vondsten van een telescoop

Het zou even duren voordat de scheuren in de kosmologie zichtbaar werden. Maar toen de James Webb Space Telescope (JWST) afgelopen lente zijn lens opende, schenen extreem verre maar zeer heldere sterrenstelsels onmiddellijk in het gezichtsveld van de telescoop. "Ze waren gewoon zo stom slim, en ze vielen gewoon op", zei Rohan Naidu, een astronoom aan het Massachusetts Institute of Technology.

De schijnbare afstanden van de sterrenstelsels tot de aarde suggereerden dat ze veel eerder in de geschiedenis van het universum zijn gevormd dan iemand had verwacht. (Hoe verder iets weg is, hoe langer het geleden is dat het licht opflakkerde.) Twijfels wervelden, maar in december bevestigden astronomen dat sommige sterrenstelsels inderdaad zo ver weg en daarom zo oorspronkelijk zijn als ze lijken. De vroegste van die bevestigde sterrenstelsels wierp zijn licht 330 miljoen jaar na de oerknal, waarmee het de nieuwe recordhouder is voor de vroegst bekende structuur in het universum. Dat sterrenstelsel was nogal zwak, maar andere kandidaten die losjes aan dezelfde tijdsperiode waren gekoppeld, straalden al helder, wat betekent dat ze potentieel gigantisch waren.

Hoe konden sterren zo kort na de oerknal ontbranden in oververhitte gaswolken? Hoe konden ze zich haastig verweven in zulke enorme door zwaartekracht gebonden structuren? Het vinden van zulke grote, heldere, vroege sterrenstelsels lijkt op het vinden van een versteend konijn in Precambrische lagen. “Er zijn geen grote dingen in de vroege tijden. Het duurt een tijdje om tot grote dingen te komen, 'zei Mike Boylan-Kolchin, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Texas, Austin.

Astronomen begonnen zich af te vragen of de overvloed aan vroege grote dingen het huidige begrip van de kosmos tart. Sommige onderzoekers en mediakanalen beweerden dat de waarnemingen van de telescoop het standaardmodel van de kosmologie doorbraken - een goed geteste reeks vergelijkingen die het lambda-koude donkere materie- of ΛCDM-model wordt genoemd - op spannende wijze wijzend op nieuwe kosmische ingrediënten of heersende wetten. Inmiddels is echter duidelijk geworden dat het ΛCDM-model veerkrachtig is. In plaats van onderzoekers te dwingen de regels van de kosmologie te herschrijven, laten de JWST-bevindingen astronomen heroverwegen hoe sterrenstelsels worden gemaakt, vooral in het kosmische begin. De telescoop heeft de kosmologie nog niet doorbroken, maar dat betekent niet dat het geval van de te vroege sterrenstelsels allesbehalve baanbrekend zal blijken te zijn.

Eenvoudigere tijden

Om te zien waarom de detectie van zeer vroege, heldere sterrenstelsels verrassend is, helpt het om te begrijpen wat kosmologen weten - of denken te weten - over het universum.

Na de oerknal begon het universum van de baby af te koelen. Binnen een paar miljoen jaar kwam het kolkende plasma dat de ruimte vulde tot rust en werden elektronen, protonen en neutronen gecombineerd tot atomen, meestal neutraal waterstof. Het was stil en donker gedurende een periode van onzekere duur die bekend staat als de kosmische donkere eeuwen. Toen gebeurde er iets.

Het meeste materiaal dat na de oerknal uit elkaar vloog, is gemaakt van iets dat we niet kunnen zien, genaamd donkere materie. Het heeft een krachtige invloed uitgeoefend op de kosmos, vooral in het begin. In het standaardbeeld werd koude donkere materie (een term die onzichtbare, langzaam bewegende deeltjes betekent) lukraak door de kosmos geslingerd. In sommige gebieden was de verspreiding dichter en in deze regio's begon het in bosjes in te storten. Zichtbare materie, dat wil zeggen atomen, verzamelde zich rond de klonten donkere materie. Terwijl de atomen ook afkoelden, condenseerden ze uiteindelijk en werden de eerste sterren geboren. Deze nieuwe stralingsbronnen laadden de neutrale waterstof op die het universum vulde tijdens het zogenaamde tijdperk van reïonisatie. Door de zwaartekracht groeiden grotere en complexere structuren, waardoor een enorm kosmisch web van sterrenstelsels ontstond.

Ondertussen bleef alles uit elkaar vliegen. De astronoom Edwin Hubble ontdekte in de jaren 1920 dat het heelal uitdijt, en eind jaren 1990 vond zijn naamgenoot, de Hubble Space Telescope, bewijs dat de uitdijing versnelt. Denk aan het universum als een brood rozijnenbrood. Het begint als een mengsel van meel, water, gist en rozijnen. Wanneer je deze ingrediënten combineert, begint de gist te ademen en begint het brood te rijzen. De rozijnen erin - stand-ins voor sterrenstelsels - strekken zich verder uit elkaar terwijl het brood uitzet.

De Hubble-telescoop zag dat het brood steeds sneller rijst. De rozijnen vliegen uit elkaar met een snelheid die hun aantrekkingskracht tart. Deze versnelling lijkt te worden aangedreven door de afstotende energie van de ruimte zelf - de zogenaamde donkere energie, die wordt weergegeven door de Griekse letter Λ (uitgesproken als "lambda"). Vul waarden voor Λ, koude donkere materie, en gewone materie en straling in de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein in, en je krijgt een model van hoe het universum evolueert. Dit "lambda koude donkere materie" (ΛCDM) model komt overeen met bijna alle waarnemingen van de kosmos.

Een manier om deze foto te testen, is door naar zeer verre sterrenstelsels te kijken - wat overeenkomt met terugkijken in de tijd naar de eerste paar honderd miljoen jaar na de enorme klap waarmee het allemaal begon. De kosmos was toen eenvoudiger, de evolutie ervan was gemakkelijker te vergelijken met voorspellingen.

Astronomen probeerden in 1995 voor het eerst de vroegste structuren van het universum te zien met behulp van de Hubble-telescoop. Gedurende 10 dagen legde Hubble 342 belichtingen vast van een leeg ogend stukje ruimte in de Grote Beer. Astronomen waren verbaasd over de overvloed die zich in het inktzwarte donker verschuilde: Hubble kon duizenden sterrenstelsels op verschillende afstanden en stadia van ontwikkeling zien, die teruggaan tot veel vroegere tijden dan iemand had verwacht. Hubble zou doorgaan met het vinden van enkele buitengewoon verre sterrenstelsels - in 2016, astronomen vond zijn verst verwijderde, genaamd GN-z11, een vage vlek die ze dateerden tot 400 miljoen jaar na de oerknal.

Dat was verrassend vroeg voor een melkwegstelsel, maar het deed geen twijfel rijzen over het ΛCDM-model, deels omdat het heel klein is, met slechts 1% van de massa van de Melkweg, en deels omdat het alleen stond. Astronomen hadden een krachtigere telescoop nodig om te zien of GN-z11 een vreemde eend in de bijt was of deel uitmaakte van een grotere populatie van raadselachtig vroege sterrenstelsels, wat zou kunnen helpen bepalen of we een cruciaal onderdeel van het ΛCDM-recept missen.

Onverklaarbaar ver

Die ruimtetelescoop van de volgende generatie, genoemd naar voormalig NASA-leider James Webb, gelanceerd op eerste kerstdag 2021. Zodra JWST was gekalibreerd, druppelde het licht van vroege sterrenstelsels in zijn gevoelige elektronica. Astronomen publiceerden een stortvloed aan artikelen waarin ze beschreven wat ze zagen.

Onderzoekers gebruiken een versie van het Doppler-effect om de afstanden van objecten te meten. Dit is vergelijkbaar met het bepalen van de locatie van een ambulance op basis van de sirene: de sirene klinkt hoger als hij nadert en lager als hij achteruitgaat. Hoe verder een melkwegstelsel verwijderd is, hoe sneller het van ons weg beweegt, en dus strekt het licht zich uit tot langere golflengten en lijkt het roder. De grootte van deze "roodverschuiving" wordt uitgedrukt als z, waarbij een gegeven waarde voor z vertelt je hoe lang het licht van een object moet hebben afgelegd om ons te bereiken.

Een van de eerste kranten op JWST-gegevens kwamen van Naidu, de MIT-astronoom, en zijn collega's, wiens zoekalgoritme een sterrenstelsel markeerde dat op onverklaarbare wijze helder en onverklaarbaar ver weg leek. Naidu noemde het GLASS-z13, wat de schijnbare afstand aangeeft bij een roodverschuiving van 13 — verder weg dan ooit tevoren. (De roodverschuiving van het sterrenstelsel werd later herzien tot 12.4 en werd omgedoopt tot GLASS-z12.) Andere astronomen die aan de verschillende reeksen JWST-waarnemingen werkten, rapporteerden roodverschuivingswaarden van 11 tot 20, waaronder een sterrenstelsel genaamd CEERS-1749 of CR2-z17-1, waarvan het licht het 13.7 miljard jaar geleden lijkt te hebben verlaten, slechts 220 miljoen jaar na de oerknal - amper een oogwenk na het begin van de kosmische tijd.

Deze vermeende detecties suggereerden dat het mooie verhaal dat bekend staat als ΛCDM mogelijk onvolledig is. Op de een of andere manier werden sterrenstelsels meteen enorm groot. “In het vroege heelal verwacht je geen massieve sterrenstelsels te zien. Ze hebben niet de tijd gehad om zoveel sterren te vormen, en ze zijn niet samengesmolten', zegt Chris Lovell, een astrofysicus aan de Universiteit van Portsmouth in Engeland. Inderdaad, binnen Een studie gepubliceerd in november, analyseerden onderzoekers computersimulaties van universums bestuurd door het ΛCDM-model en ontdekten dat de vroege, heldere sterrenstelsels van JWST een orde van grootte zwaarder waren dan die welke gelijktijdig in de simulaties werden gevormd.

Sommige astronomen en mediakanalen beweerden dat JWST de kosmologie doorbrak, maar niet iedereen was overtuigd. Een probleem is dat de voorspellingen van ΛCDM niet altijd even duidelijk zijn. Terwijl donkere materie en donkere energie eenvoudig zijn, heeft zichtbare materie complexe interacties en gedragingen, en niemand weet precies wat er gebeurde in de eerste jaren na de oerknal; die hectische vroege tijden moeten worden benaderd in computersimulaties. Het andere probleem is dat het moeilijk is om precies te zeggen hoe ver sterrenstelsels precies verwijderd zijn.

In de maanden sinds de eerste artikelen zijn de leeftijden van enkele van de vermeende sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving heroverwogen. Sommigen waren gedegradeerde naar latere stadia van kosmische evolutie vanwege bijgewerkte telescoopkalibraties. CEERS-1749 wordt gevonden in een gebied aan de hemel dat een cluster van sterrenstelsels bevat waarvan het licht 12.4 miljard jaar geleden werd uitgezonden, en Naidu zegt dat het mogelijk is dat het sterrenstelsel daadwerkelijk deel uitmaakt van deze cluster — een dichterbij gelegen indringer die mogelijk gevuld is met stof dat het lijkt meer roodverschoven dan het is. Volgens Naidu is CEERS-1749 raar, hoe ver het ook weg is. "Het zou een nieuw type sterrenstelsel zijn dat we nog niet kenden: een heel klein sterrenstelsel met een lage massa dat op de een of andere manier veel stof heeft opgehoopt, iets wat we traditioneel niet verwachten", zei hij. "Misschien zijn er deze nieuwe soorten objecten die onze zoektocht naar de zeer verre sterrenstelsels verwarren."

De Lyman-pauze

Iedereen wist dat voor de meest definitieve afstandsschattingen de krachtigste mogelijkheden van JWST nodig zouden zijn.

JWST observeert sterlicht niet alleen door middel van fotometrie, of het meten van de helderheid, maar ook door middel van spectroscopie, of het meten van de golflengten van het licht. Als een fotometrische waarneming is als een foto van een gezicht in een menigte, dan is een spectroscopische waarneming als een DNA-test die iemands familiegeschiedenis kan vertellen. Naidu en anderen die grote vroege sterrenstelsels vonden, maten de roodverschuiving met behulp van uit helderheid afgeleide metingen - waarbij ze in wezen naar gezichten in de menigte keken met een echt goede camera. Die methode is verre van waterdicht. (Tijdens een bijeenkomst van de American Astronomical Society in januari grapten astronomen dat misschien de helft van de vroege sterrenstelsels die alleen met fotometrie zijn waargenomen, nauwkeurig zal blijken te zijn gemeten.)

Maar begin december, kosmologen aangekondigd dat ze beide methoden voor vier sterrenstelsels hadden gecombineerd. Het JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-team zocht naar sterrenstelsels waarvan het infraroodlichtspectrum abrupt afsnijdt bij een kritieke golflengte die bekend staat als de Lyman-breuk. Deze breuk treedt op omdat waterstof dat in de ruimte tussen sterrenstelsels zweeft, licht absorbeert. Vanwege de voortdurende uitdijing van het universum - het steeds stijgende rozijnenbrood - wordt het licht van verre sterrenstelsels verschoven, dus de golflengte van die abrupte breuk verschuift ook. Wanneer het licht van een melkwegstelsel bij langere golflengten lijkt af te nemen, is het verder weg. JADES identificeerde spectra met roodverschuivingen tot 13.2, wat betekent dat het licht van de melkweg 13.4 miljard jaar geleden werd uitgezonden.

Zodra de gegevens waren gedownlinkt, begonnen JADES-onderzoekers "in paniek te raken" in een gedeelde Slack-groep, volgens Kevin Hainlijn, een astronoom aan de Universiteit van Arizona. "Het was als, 'Oh mijn God, oh mijn God, we hebben het gedaan, we hebben het gedaan, we hebben het gedaan!'", zei hij. "Deze spectra zijn nog maar het begin van wat ik denk dat de astronomie-veranderende wetenschap gaat worden."

Bran Robertson, een astronoom van JADES aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, zegt dat de bevindingen aantonen dat het vroege universum snel veranderde in zijn eerste miljard jaar, met sterrenstelsels die 10 keer sneller evolueerden dan nu. Het is vergelijkbaar met hoe "een kolibrie een klein wezen is", zei hij, "maar zijn hart klopt zo snel dat het een soort ander leven leidt dan andere wezens. De hartslag van deze sterrenstelsels gebeurt op een veel snellere tijdschaal dan iets ter grootte van de Melkweg.”

Maar klopte hun hart te snel voor ΛCDM om het uit te leggen?

Theoretische mogelijkheden

Terwijl astronomen en het publiek naar JWST-beelden staarden, begonnen onderzoekers achter de schermen te werken om te bepalen of de sterrenstelsels die in ons zicht knipperen echt ΛCDM op zijn kop zetten of gewoon helpen om de getallen vast te stellen die we in zijn vergelijkingen moeten stoppen.

Een belangrijk maar slecht begrepen getal betreft de massa's van de vroegste sterrenstelsels. Kosmologen proberen hun massa's te bepalen om te bepalen of ze overeenkomen met de door ΛCDM voorspelde tijdlijn van de groei van sterrenstelsels.

De massa van een melkwegstelsel wordt afgeleid van zijn helderheid. Maar Megan Donahue, een astrofysicus aan de Michigan State University, zegt dat de relatie tussen massa en helderheid op zijn best een weloverwogen schatting is, gebaseerd op aannames die zijn afgeleid van bekende sterren en goed bestudeerde sterrenstelsels.

Een belangrijke aanname is dat sterren zich altijd vormen binnen een bepaald statistisch bereik van massa's, de initiële massafunctie (IMF) genoemd. Deze IMF-parameter is cruciaal voor het afleiden van de massa van een melkwegstelsel uit metingen van de helderheid, omdat hete, blauwe, zware sterren meer licht produceren, terwijl het grootste deel van de massa van een melkwegstelsel meestal opgesloten zit in koele, rode, kleine sterren.

Maar het is mogelijk dat het IMF anders was in het vroege universum. Als dat zo is, zijn de vroege sterrenstelsels van JWST misschien niet zo zwaar als hun helderheid suggereert; ze zijn misschien helder maar licht. Deze mogelijkheid veroorzaakt kopzorgen, omdat het wijzigen van deze basisinvoer naar het ΛCDM-model u bijna elk gewenst antwoord zou kunnen geven. Lovell zegt dat sommige astronomen het spelen met het IMF beschouwen als 'het domein van de goddelozen'.

"Als we de aanvankelijke massafunctie niet begrijpen, is het echt een uitdaging om sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving te begrijpen", zei hij Wendy Freeman, een astrofysicus aan de Universiteit van Chicago. Haar team werkt aan observaties en computersimulaties die zullen helpen het IMF in verschillende omgevingen vast te pinnen.

In de loop van de herfst begonnen veel experts te vermoeden dat tweaks aan het IMF en andere factoren voldoende zouden kunnen zijn om de zeer oude sterrenstelsels die op de instrumenten van JWST schijnen, in overeenstemming te brengen met ΛCDM. "Ik denk dat het eigenlijk waarschijnlijker is dat we deze observaties binnen het standaardparadigma kunnen accommoderen," zei Rachel Somerville, een astrofysicus aan het Flatiron Institute (dat, zoals Quanta Magazine, wordt gefinancierd door de Simons Foundation). In dat geval, zei ze, "wat we leren is: hoe snel kunnen [donkere materie] halo's het gas verzamelen? Hoe snel kunnen we het gas laten afkoelen en verdichten en sterren maken? Misschien gebeurt dat sneller in het vroege heelal; misschien is het gas dichter; misschien stroomt het op de een of andere manier sneller naar binnen. Ik denk dat we nog leren over die processen.”

Somerville bestudeert ook de mogelijkheid dat zwarte gaten de babykosmos verstoorden. Astronomen hebben merkte een paar gloeiende superzware zwarte gaten met een roodverschuiving van 6 of 7, ongeveer een miljard jaar na de oerknal. Het is moeilijk voor te stellen hoe sterren zich tegen die tijd hadden kunnen vormen, stierven en vervolgens instortten tot zwarte gaten die alles om hen heen aten en straling begonnen uit te spuwen.

Maar als er zwarte gaten zijn in de vermoedelijke vroege sterrenstelsels, zou dat kunnen verklaren waarom de sterrenstelsels zo helder lijken, ook al zijn ze niet erg massief, zei Somerville.

Bevestiging dat ΛCDM ten minste enkele van de vroege sterrenstelsels van JWST kan huisvesten, arriveerde de dag voor Kerstmis. Astronomen onder leiding van Benjamin Keller aan de Universiteit van Memphis gecontroleerd een handvol grote supercomputersimulaties van ΛCDM-universums en ontdekte dat de simulaties sterrenstelsels konden produceren die even zwaar waren als de vier die spectroscopisch werden bestudeerd door het JADES-team. (Deze vier zijn met name kleiner en zwakker dan andere vermeende vroege sterrenstelsels zoals GLASS-z12.) In de analyse van het team leverden alle simulaties sterrenstelsels op ter grootte van de JADES-bevindingen bij een roodverschuiving van 10. Eén simulatie zou dergelijke sterrenstelsels kunnen creëren met een roodverschuiving van 13, hetzelfde als wat JADES zag, en twee andere zouden de sterrenstelsels kunnen bouwen met een nog hogere roodverschuiving. Geen van de JADES-stelsels stond op gespannen voet met het huidige ΛCDM-paradigma, meldden Keller en collega's op 24 december op de preprint-server arxiv.org.

Hoewel ze niet over de kracht beschikken om het heersende kosmologische model te doorbreken, hebben de JADES-stelsels andere bijzondere kenmerken. Hainline zei dat hun sterren niet vervuild lijken door metalen van eerder ontplofte sterren. Dit zou kunnen betekenen dat het Populatie III-sterren zijn - de gretig gezochte eerste generatie sterren die ooit ontbranden - en dat ze mogelijk bijdragen aan de reïonisatie van het universum. Als dit waar is, heeft JWST al teruggekeken naar de mysterieuze periode waarin het universum op zijn huidige koers werd gezet.

Buitengewoon bewijs

 Spectroscopische bevestiging van extra vroege sterrenstelsels zou dit voorjaar kunnen komen, afhankelijk van hoe de tijdtoewijzingscommissie van JWST de zaken verdeelt. Een waarnemingscampagne genaamd WDEEP zal specifiek zoeken naar sterrenstelsels van minder dan 300 miljoen jaar na de oerknal. Naarmate onderzoekers de afstanden van meer sterrenstelsels bevestigen en beter worden in het schatten van hun massa, zullen ze helpen het lot van ΛCDM te bepalen.

Er zijn al veel andere waarnemingen aan de gang die het beeld voor ΛCDM zouden kunnen veranderen. Freedman, die de initiële massafunctie bestudeert, was op een avond om 1 uur wakker om JWST-gegevens over variabele sterren te downloaden die ze gebruikt als "standaardkaarsen" voor het meten van afstanden en leeftijden. Die metingen zouden kunnen helpen een ander potentieel probleem met ΛCDM op te lossen, bekend als de Hubble-spanning. Het probleem is dat het heelal momenteel sneller lijkt uit te breiden dan ΛCDM voorspelt voor een heelal van 13.8 miljard jaar oud. Kosmologen hebben tal van mogelijke verklaringen. Misschien speculeren sommige kosmologen dat de dichtheid van de donkere energie die de uitdijing van het universum versnelt, niet constant is, zoals in ΛCDM, maar in de loop van de tijd verandert. Het veranderen van de expansiegeschiedenis van het universum zou niet alleen de Hubble-spanning kunnen oplossen, maar ook de berekeningen van de ouderdom van het universum bij een bepaalde roodverschuiving kunnen herzien. JWST ziet mogelijk een vroeg sterrenstelsel zoals het er bijvoorbeeld 500 miljoen jaar na de oerknal uitzag in plaats van 300 miljoen. Dan zouden zelfs de zwaarste vermeende vroege sterrenstelsels in de spiegels van JWST voldoende tijd hebben gehad om samen te smelten, zegt Somerville.

Astronomen hebben geen superlatieven meer als ze praten over de vroege resultaten van JWST in sterrenstelsels. Ze doorspekten hun gesprekken met gelach, krachttermen en uitroepen, ook al herinneren ze zichzelf aan Carl Sagans adagium, hoe vaak ook gebruikt, dat buitengewone beweringen buitengewoon bewijs vereisen. Ze kunnen niet wachten om meer afbeeldingen en spectra in handen te krijgen, waarmee ze hun modellen kunnen aanscherpen of aanpassen. "Dat zijn de beste problemen", zei Boylan-Kolchin, "want wat je ook krijgt, het antwoord is interessant."