Standard modell for kosmologi overlever et teleskops overraskende funn

Sprekkene i kosmologien skulle visstnok ta en stund før de dukket opp. Men da James Webb Space Telescope (JWST) åpnet linsen i fjor vår, skinte ekstremt fjerne, men likevel veldig lyse galakser umiddelbart inn i teleskopets synsfelt. "De var bare så dumt lyse, og de skilte seg bare ut," sa Rohan Naidu, en astronom ved Massachusetts Institute of Technology.

Galaksenes tilsynelatende avstander fra Jorden antydet at de ble dannet mye tidligere i universets historie enn noen forventet. (Jo lenger unna noe er, jo lenger siden blusset lyset frem.) Tvilen virvlet, men i desember bekreftet astronomer at noen av galaksene faktisk er like fjerne, og derfor like primordiale som de ser ut til. Den tidligste av disse bekreftede galaksene kastet sitt lys 330 millioner år etter Big Bang, noe som gjør den til den nye rekordholderen for den tidligste kjente strukturen i universet. Den galaksen var ganske svak, men andre kandidater som var løst knyttet til samme tidsperiode, lyste allerede sterkt, noe som betyr at de var potensielt enorme.

Hvordan kunne stjerner antennes inne i overopphetede gassskyer så kort tid etter Big Bang? Hvordan kunne de raskt veve seg inn i slike enorme gravitasjonsbundne strukturer? Å finne slike store, lyse, tidlige galakser virker som å finne en fossilisert kanin i prekambriske lag. «Det er ingen store ting i tidlige tider. Det tar litt tid å komme til store ting," sa Mike Boylan-Kolchin, en teoretisk fysiker ved University of Texas, Austin.

Astronomer begynte å spørre om overfloden av tidlige store ting trosser den nåværende forståelsen av kosmos. Noen forskere og medier hevdet at teleskopets observasjoner brøt standardmodellen for kosmologi - et godt testet sett med ligninger kalt lambda cold dark matter, eller ΛCDM, modell - som på en spennende måte pekte på nye kosmiske ingredienser eller styrende lover. Det har imidlertid blitt klart at ΛCDM-modellen er spenstig. I stedet for å tvinge forskere til å omskrive reglene for kosmologi, har JWST-funnene fått astronomer til å revurdere hvordan galakser er laget, spesielt i den kosmiske begynnelsen. Teleskopet har ennå ikke brutt kosmologien, men det betyr ikke at tilfellet med de for tidlige galaksene vil vise seg å være noe annet enn epoke.

Enklere tider

For å se hvorfor oppdagelsen av veldig tidlige, lyse galakser er overraskende, hjelper det å forstå hva kosmologer vet - eller tror de vet - om universet.

Etter Big Bang begynte spedbarnsuniverset å kjøle seg ned. I løpet av noen få millioner år slo det bølgende plasmaet som fylte rommet seg ned, og elektroner, protoner og nøytroner ble kombinert til atomer, for det meste nøytralt hydrogen. Ting var stille og mørkt i en periode med usikker varighet kjent som den kosmiske mørke tidsalderen. Så skjedde det noe.

Det meste av materialet som fløy fra hverandre etter Big Bang er laget av noe vi ikke kan se, kalt mørk materie. Det har utøvd en kraftig innflytelse over kosmos, spesielt i begynnelsen. I standardbildet ble kald mørk materie (et begrep som betyr usynlige, saktegående partikler) slynget rundt i kosmos vilkårlig. I noen områder var dens utbredelse tettere, og i disse regionene begynte den å kollapse til klumper. Synlig materie, som betyr atomer, samlet seg rundt klumper av mørk materie. Etter hvert som atomene også avkjølte seg, kondenserte de seg til slutt, og de første stjernene ble født. Disse nye strålingskildene ladet opp det nøytrale hydrogenet som fylte universet under den såkalte reioniseringsepoken. Gjennom tyngdekraften vokste større og mer komplekse strukturer, og bygget et enormt kosmisk nett av galakser.

I mellomtiden fløy alt fra hverandre. Astronomen Edwin Hubble fant ut på 1920-tallet at universet utvider seg, og på slutten av 1990-tallet fant hans navnebror, Hubble Space Telescope, bevis på at utvidelsen akselererer. Tenk på universet som et brød med rosinbrød. Det starter som en blanding av mel, vann, gjær og rosiner. Når du kombinerer disse ingrediensene, begynner gjæren å puste og brødet begynner å heve. Rosinene i den - stand-ins for galakser - strekker seg lenger fra hverandre når brødet utvider seg.

Hubble-teleskopet så at brødet hever seg stadig raskere. Rosinene flyr fra hverandre med en hastighet som trosser deres gravitasjonsattraksjon. Denne akselerasjonen ser ut til å være drevet av selve rommets frastøtende energi - såkalt mørk energi, som er representert av den greske bokstaven Λ (uttales "lambda"). Plugg inn verdier for Λ, kald mørk materie og regulær materie og stråling inn i ligningene til Albert Einsteins generelle relativitetsteori, og du får en modell av hvordan universet utvikler seg. Denne modellen "lambda kald mørk materie" (ΛCDM) matcher nesten alle observasjoner av kosmos.

En måte å teste dette bildet på er ved å se på svært fjerne galakser - tilsvarende å se tilbake i tid til de første hundre millioner årene etter den enorme klappen som startet det hele. Kosmos var enklere da, dens utvikling lettere å sammenligne med spådommer.

Astronomer prøvde først å se de tidligste strukturene i universet ved hjelp av Hubble-teleskopet i 1995. I løpet av 10 dager fanget Hubble 342 eksponeringer av en tom plass i store bjørn. Astronomer ble overrasket over overfloden som gjemmer seg i det blekket mørke: Hubble kunne se tusenvis av galakser på forskjellige avstander og utviklingsstadier, og strekker seg tilbake til mye tidligere tider enn noen forventet. Hubble ville fortsette å finne noen ekstremt fjerne galakser - i 2016, astronomer fant den fjerneste, kalt GN-z11, en svak flekk som de daterte til 400 millioner år etter Big Bang.

Det var overraskende tidlig for en galakse, men det så ikke tvil om ΛCDM-modellen delvis fordi galaksen er liten, med bare 1 % av Melkeveiens masse, og delvis fordi den sto alene. Astronomer trengte et kraftigere teleskop for å se om GN-z11 var en merkelig kule eller en del av en større populasjon av forvirrende tidlige galakser, noe som kunne bidra til å avgjøre om vi mangler en avgjørende del av ΛCDM-oppskriften.

Uforklarlig fjernt

Det neste generasjons romteleskopet, oppkalt etter tidligere NASA-leder James Webb, lansert 2021. juledag XNUMX. Så snart JWST ble kalibrert, dryppet lys fra tidlige galakser inn i dens følsomme elektronikk. Astronomer publiserte en flom av artikler som beskrev det de så.

Forskere bruker en versjon av Doppler-effekten for å måle avstandene til objekter. Dette ligner på å finne ut hvor en ambulanse befinner seg basert på sirenen: Sirenen høres høyere i tonehøyde når den nærmer seg og deretter lavere når den trekker seg tilbake. Jo lenger unna en galakse er, jo raskere beveger den seg bort fra oss, og derfor strekker lyset seg til lengre bølgelengder og ser rødere ut. Størrelsen på denne "rødforskyvningen" er uttrykt som z, hvor en gitt verdi for z forteller deg hvor lenge et objekts lys må ha reist for å nå oss.

En av de første avisene om JWST-data kom fra Naidu, MIT-astronomen, og hans kolleger, hvis søkealgoritme flagget en galakse som virket uforklarlig lys og uforklarlig fjern. Naidu kalte den GLASS-z13, og indikerte dens tilsynelatende avstand ved en rødforskyvning på 13 - lenger unna enn noe tidligere sett. (Galaksens rødforskyvning ble senere revidert ned til 12.4, og den ble omdøpt til GLASS-z12.) Andre astronomer som jobbet med de forskjellige settene med JWST-observasjoner rapporterte rødforskyvningsverdier fra 11 til 20, inkludert en galakse kalt CEERS-1749 eller CR2-z17-1, hvis lys ser ut til å ha forlatt den for 13.7 milliarder år siden, bare 220 millioner år etter Big Bang - knapt et øyeblink etter begynnelsen av kosmisk tid.

Disse antatte oppdagelsene antydet at den pene historien kjent som ΛCDM kan være ufullstendig. På en eller annen måte vokste galakser seg store med en gang. «I det tidlige universet forventer du ikke å se massive galakser. De har ikke hatt tid til å danne så mange stjerner, og de har ikke smeltet sammen, sier Chris Lovell, en astrofysiker ved University of Portsmouth i England. Faktisk i en studie publisert i november, analyserte forskere datasimuleringer av universer styrt av ΛCDM-modellen og fant at JWSTs tidlige, lyse galakser var en størrelsesorden tyngre enn de som ble dannet samtidig i simuleringene.

Noen astronomer og medier hevdet at JWST brøt kosmologien, men ikke alle var overbevist. Et problem er at ΛCDMs spådommer ikke alltid er klare. Mens mørk materie og mørk energi er enkle, har synlig materie komplekse interaksjoner og atferd, og ingen vet nøyaktig hva som skjedde de første årene etter Big Bang; disse frenetiske tidlige tidene må tilnærmes i datasimuleringer. Det andre problemet er at det er vanskelig å si nøyaktig hvor langt unna galakser er.

I månedene etter de første avisene har alderen til noen av de påståtte høyrødforskyvningsgalaksene blitt revurdert. Noen var degradert til senere stadier av kosmisk evolusjon på grunn av oppdaterte teleskopkalibreringer. CEERS-1749 finnes i et område på himmelen som inneholder en klynge galakser hvis lys ble sendt ut for 12.4 milliarder år siden, og Naidu sier at det er mulig at galaksen faktisk er en del av denne klyngen - en nærmere inngriper som kan være fylt med støv som gjør det virker mer rødforskyvet enn det er. I følge Naidu er CEERS-1749 rart uansett hvor langt unna den er. "Det ville være en ny type galakse som vi ikke visste om: en veldig lav masse, liten galakse som på en eller annen måte har bygget opp mye støv i den, noe vi tradisjonelt ikke forventer," sa han. "Det kan bare være disse nye typene objekter som forvirrer søkene våre etter de svært fjerne galaksene."

Lyman-pausen

Alle visste at de mest definitive avstandsestimatene ville kreve JWSTs kraftigste kapasitet.

JWST observerer ikke bare stjernelys gjennom fotometri, eller måling av lysstyrke, men også gjennom spektroskopi, eller måling av lysets bølgelengder. Hvis en fotometrisk observasjon er som et bilde av et ansikt i en folkemengde, er en spektroskopisk observasjon som en DNA-test som kan fortelle en persons familiehistorie. Naidu og andre som fant store tidlige galakser, målte rødforskyvning ved hjelp av lysstyrkeavledede målinger - i hovedsak så på ansikter i mengden med et virkelig godt kamera. Den metoden er langt fra lufttett. (På et januarmøte i American Astronomical Society sa astronomer at kanskje halvparten av de tidlige galaksene observert med fotometri alene vil vise seg å være nøyaktig målt.)

Men i begynnelsen av desember, kosmologer annonsert at de hadde kombinert begge metodene for fire galakser. JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-teamet søkte etter galakser hvis infrarøde lysspektrum brått avskjæres ved en kritisk bølgelengde kjent som Lyman-bruddet. Dette bruddet skjer fordi hydrogen som flyter i rommet mellom galakser absorberer lys. På grunn av den fortsatte utvidelsen av universet – det stadig stigende rosinbrødet – blir lyset fra fjerne galakser forskjøvet, så bølgelengden til det brå bruddet skifter også. Når lyset til en galakse ser ut til å falle av ved lengre bølgelengder, er det mer fjernt. JADES identifiserte spektre med rødforskyvninger opp til 13.2, noe som betyr at galaksens lys ble sendt ut for 13.4 milliarder år siden.

Så snart dataene ble koblet ned, begynte JADES-forskere å "frie ut" i en delt Slack-gruppe, ifølge Kevin Hainline, en astronom ved University of Arizona. "Det var som: 'Herregud, herregud, vi gjorde det, vi gjorde det vi gjorde det!'" sa han. "Disse spektrene er bare begynnelsen på det jeg tror kommer til å være astronomi-endrende vitenskap."

Brant Robertson, en JADES-astronom ved University of California, Santa Cruz, sier funnene viser at det tidlige universet endret seg raskt i løpet av sine første milliard år, med galakser som utviklet seg 10 ganger raskere enn de gjør i dag. Det ligner på hvordan "en kolibri er en liten skapning," sa han, "men dens hjerte slår så raskt at den lever et slags annerledes liv enn andre skapninger. Hjerteslaget til disse galaksene skjer på en mye raskere tidsskala enn noe på størrelse med Melkeveien."

Men slo hjertene deres for fort til at ΛCDM kunne forklare?

Teoretiske muligheter

Mens astronomer og publikum gapte over JWST-bilder, begynte forskere å jobbe bak kulissene for å finne ut om galaksene som blinker inn i synet vårt virkelig øker ΛCDM eller bare hjelpe til med å finne tallene vi bør koble inn i ligningene.

Et viktig, men dårlig forstått tall gjelder massene til de tidligste galaksene. Kosmologer prøver å bestemme massene deres for å fortelle om de samsvarer med ΛCDMs forutsagte tidslinje for galaksevekst.

Massen til en galakse er avledet fra lysstyrken. Men Megan Donahue, en astrofysiker ved Michigan State University, sier at i beste fall er forholdet mellom masse og lysstyrke en utdannet gjetning, basert på antakelser hentet fra kjente stjerner og godt studerte galakser.

En nøkkelantakelse er at stjerner alltid dannes innenfor et visst statistisk masseområde, kalt initialmassefunksjonen (IMF). Denne IMF-parameteren er avgjørende for å hente ut massen til en galakse fra målinger av lysstyrken, fordi varme, blå, tunge stjerner produserer mer lys, mens størstedelen av massen til en galakse vanligvis er innelåst i kjølige, røde, små stjerner.

Men det er mulig at IMF var annerledes i det tidlige universet. I så fall er JWSTs tidlige galakser kanskje ikke så tunge som lysstyrken tilsier; de kan være lyse, men lette. Denne muligheten forårsaker hodepine, fordi å endre denne grunnleggende inngangen til ΛCDM-modellen kan gi deg nesten hvilket som helst svar du ønsker. Lovell sier at noen astronomer vurderer å fikle med IMF «de ondes domene».

"Hvis vi ikke forstår den innledende massefunksjonen, er det virkelig en utfordring å forstå galakser med høy rødforskyvning," sa Wendy Freeman, en astrofysiker ved University of Chicago. Teamet hennes jobber med observasjoner og datasimuleringer som vil hjelpe til med å finne frem til IMF i forskjellige miljøer.

I løpet av høsten kom mange eksperter til å mistenke at justeringer av IMF og andre faktorer kan være nok til å kvadre de svært eldgamle galaksene som lyser på JWSTs instrumenter med ΛCDM. "Jeg tror det faktisk er mer sannsynlig at vi kan imøtekomme disse observasjonene innenfor standardparadigmet," sa Rachel Somerville, en astrofysiker ved Flatiron Institute (som, som Quanta Magazine, er finansiert av Simons Foundation). I så fall sa hun, "det vi lærer er: Hvor raskt kan [mørk materie] haloer samle gassen? Hvor raskt kan vi få gassen til å avkjøles og bli tett, og lage stjerner? Kanskje det skjer raskere i det tidlige universet; kanskje gassen er tettere; kanskje det på en eller annen måte strømmer inn raskere. Jeg tror vi fortsatt lærer om disse prosessene.»

Somerville studerer også muligheten for at sorte hull forstyrret babykosmos. Astronomer har la merke til noen få glødende supermassive sorte hull med en rødforskyvning på 6 eller 7, omtrent en milliard år etter Big Bang. Det er vanskelig å forestille seg hvordan stjerner på den tiden kunne ha dannet seg, døde og deretter kollapset i sorte hull som spiste opp alt rundt dem og begynte å spy ut stråling.

Men hvis det er sorte hull inne i de antatte tidlige galaksene, kan det forklare hvorfor galaksene virker så lyse, selv om de egentlig ikke er veldig massive, sa Somerville.

Bekreftelsen på at ΛCDM kan romme i det minste noen av JWSTs tidlige galakser kom dagen før jul. Astronomer ledet av Benjamin Keller ved University of Memphis sjekket en håndfull store superdatamaskinsimuleringer av ΛCDM-universer og fant ut at simuleringene kunne produsere galakser like tunge som de fire som ble spektroskopisk studert av JADES-teamet. (Disse fire er spesielt mindre og svakere enn andre påståtte tidlige galakser som GLASS-z12.) I teamets analyse ga alle simuleringene galakser på størrelse med JADES-funnene med en rødforskyvning på 10. Én simulering kan skape slike galakser ved en rødforskyvning på 13, det samme som JADES så, og to andre kunne bygge galaksene med en enda høyere rødforskyvning. Ingen av JADES-galaksene var i spenning med det nåværende ΛCDM-paradigmet, rapporterte Keller og kollegene på preprint-serveren arxiv.org 24. desember.

Selv om de mangler tyngden til å bryte den rådende kosmologiske modellen, har JADES-galaksene andre spesielle egenskaper. Hainline sa at stjernene deres virker uforurenset av metaller fra tidligere eksploderte stjerner. Dette kan bety at de er Population III-stjerner - den ivrig ettertraktede første generasjonen stjerner som noen gang har antent - og at de kan bidra til reioniseringen av universet. Hvis dette er sant, så har JWST allerede kikket tilbake til den mystiske perioden da universet ble satt på sin nåværende kurs.

Ekstraordinære bevis

 Spektroskopisk bekreftelse av flere tidlige galakser kan komme denne våren, avhengig av hvordan JWSTs tidsfordelingskomité deler ting opp. En observasjonskampanje kalt WDEEP vil spesifikt søke etter galakser fra mindre enn 300 millioner år etter Big Bang. Etter hvert som forskere bekrefter flere galaksers avstander og blir bedre til å estimere massene deres, vil de bidra til å avgjøre ΛCDMs skjebne.

Mange andre observasjoner er allerede i gang som kan endre bildet for ΛCDM. Freedman, som studerer den innledende massefunksjonen, var oppe klokken 1 en natt og lastet ned JWST-data om variable stjerner som hun bruker som "standardlys" for å måle avstander og alder. Disse målingene kan bidra til å riste ut et annet potensielt problem med ΛCDM, kjent som Hubble-spenningen. Problemet er at universet for tiden ser ut til å utvide seg raskere enn ΛCDM forutsier for et 13.8 milliarder år gammelt univers. Kosmologer har mange mulige forklaringer. Kanskje, spekulerer noen kosmologer, er tettheten til den mørke energien som akselererer utvidelsen av universet ikke konstant, som i ΛCDM, men endres over tid. Å endre ekspansjonshistorien til universet kan ikke bare løse Hubble-spenningen, men også revidere beregninger av universets alder ved en gitt rødforskyvning. JWST ser kanskje en tidlig galakse slik den så ut, for eksempel 500 millioner år etter Big Bang i stedet for 300 millioner. Da ville selv de tyngste antatte tidlige galaksene i JWSTs speil ha hatt god tid til å smelte sammen, sier Somerville.

Astronomer går tom for superlativer når de snakker om JWSTs tidlige galakseresultater. De peprer samtalene sine med latter, utrop og utrop, selv om de minner seg selv om Carl Sagans ordtak, uansett hvor overbrukt, om at ekstraordinære påstander krever ekstraordinære bevis. De gleder seg til å få tak i flere bilder og spektre, som vil hjelpe dem å finpusse eller finpusse modellene sine. "Det er de beste problemene," sa Boylan-Kolchin, "fordi uansett hva du får, er svaret interessant."