Standardowy model kosmologii przetrwa zaskakujące znaleziska teleskopu

Pęknięcia w kosmologii miały się pojawić dopiero po jakimś czasie. Ale kiedy zeszłej wiosny Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) otworzył swój obiektyw, bardzo odległe, ale bardzo jasne galaktyki natychmiast zabłysły w polu widzenia teleskopu. „Były po prostu tak głupio jasne i po prostu się wyróżniały” – powiedział Rohana Naidu, astronom z Massachusetts Institute of Technology.

Pozorne odległości galaktyk od Ziemi sugerowały, że powstały one znacznie wcześniej w historii wszechświata, niż ktokolwiek się spodziewał. (Im dalej coś się znajduje, tym wcześniej rozbłysło jego światło). Wątpliwości wirowały, ale w grudniu astronomowie potwierdzili, że niektóre galaktyki są rzeczywiście tak odległe, a zatem tak pierwotne, jak się wydają. Najwcześniejsza z tych potwierdzonych galaktyk rozbłysła 330 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co czyni ją nowym rekordzistą w zakresie najwcześniejszej znanej struktury we wszechświecie. Ta galaktyka była raczej słaba, ale inni kandydaci luźno powiązani z tym samym okresem już świecili jasno, co oznaczało, że byli potencjalnie olbrzymi.

Jak gwiazdy mogły zapalić się w przegrzanych obłokach gazu tak szybko po Wielkim Wybuchu? Jak mogli pospiesznie wpleść się w tak ogromne, związane grawitacyjnie struktury? Znalezienie tak dużych, jasnych, wczesnych galaktyk przypomina znalezienie skamieniałego królika w warstwach prekambryjskich. „Na początku nie ma wielkich rzeczy. Dojście do wielkich rzeczy zajmuje trochę czasu – powiedział Mike’a Boylana-Kolchina, fizyk teoretyczny z University of Texas w Austin.

Astronomowie zaczęli pytać, czy obfitość wczesnych wielkich rzeczy jest sprzeczna z obecnym rozumieniem kosmosu. Niektórzy badacze i media twierdzili, że obserwacje teleskopu łamią standardowy model kosmologii — dobrze przetestowany zestaw równań zwany modelem lambda zimnej ciemnej materii lub model ΛCDM — ekscytująco wskazując na nowe kosmiczne składniki lub rządzące prawami. Od tego czasu stało się jednak jasne, że model ΛCDM jest odporny. Zamiast zmuszać badaczy do przepisania zasad kosmologii, odkrycia JWST skłoniły astronomów do ponownego przemyślenia, w jaki sposób powstają galaktyki, zwłaszcza w kosmicznym początku. Teleskop nie złamał jeszcze kosmologii, ale to nie znaczy, że przypadek zbyt wczesnych galaktyk okaże się bynajmniej epokowy.

Prostsze czasy

Aby zrozumieć, dlaczego odkrycie bardzo wczesnych, jasnych galaktyk jest zaskakujące, warto zrozumieć, co kosmologowie wiedzą — lub myślą, że wiedzą — o wszechświecie.

Po Wielkim Wybuchu początkowy wszechświat zaczął się ochładzać. W ciągu kilku milionów lat wirująca plazma wypełniająca przestrzeń osiadła, a elektrony, protony i neutrony połączyły się w atomy, głównie w neutralny wodór. Wszystko było ciche i ciemne przez okres o nieokreślonym czasie trwania, znany jako kosmiczne ciemne wieki. Potem coś się stało.

Większość materii, która rozleciała się po Wielkim Wybuchu, składa się z czegoś, czego nie możemy zobaczyć, zwanego ciemną materią. Wywarł potężny wpływ na kosmos, zwłaszcza na początku. Na standardowym obrazie zimna ciemna materia (termin oznaczający niewidzialne, wolno poruszające się cząstki) była rozrzucana po kosmosie bez wyjątku. Na niektórych obszarach jego rozmieszczenie było gęstsze, aw tych regionach zaczął się zapadać w skupiska. Widzialna materia, czyli atomy, skupiona wokół skupisk ciemnej materii. Gdy atomy również ostygły, ostatecznie skondensowały się i narodziły się pierwsze gwiazdy. Te nowe źródła promieniowania ładowały neutralny wodór, który wypełniał wszechświat w tak zwanej epoce rejonizacji. Dzięki grawitacji rosły większe i bardziej złożone struktury, budując rozległą kosmiczną sieć galaktyk.

Tymczasem wszystko się rozpadało. Astronom Edwin Hubble zorientował się w latach dwudziestych XX wieku, że Wszechświat się rozszerza, a pod koniec lat dziewięćdziesiątych jego imiennik, Kosmiczny Teleskop Hubble'a, znalazł dowody na przyspieszenie ekspansji. Pomyśl o wszechświecie jak o bochenku chleba z rodzynkami. Zaczyna się jako mieszanka mąki, wody, drożdży i rodzynek. Po połączeniu tych składników drożdże zaczynają oddychać, a bochenek zaczyna rosnąć. Znajdujące się w nim rodzynki — zamienniki galaktyk — rozciągają się od siebie w miarę rozszerzania się bochenka.

Teleskop Hubble'a zauważył, że bochenek rośnie coraz szybciej. Rodzynki rozlatują się w tempie, które jest sprzeczne z ich przyciąganiem grawitacyjnym. To przyspieszenie wydaje się być napędzane przez odpychającą energię samej przestrzeni — tak zwaną ciemną energię, którą reprezentuje grecka litera Λ (wymawiana jako „lambda”). Podstaw wartości Λ, zimnej ciemnej materii, zwykłej materii i promieniowania do równań ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, a otrzymasz model ewolucji wszechświata. Ten model „zimnej ciemnej materii lambda” (ΛCDM) pasuje do prawie wszystkich obserwacji kosmosu.

Jednym ze sposobów sprawdzenia tego obrazu jest spojrzenie na bardzo odległe galaktyki – co jest równoznaczne z cofnięciem się w czasie do pierwszych kilkuset milionów lat po ogromnym uderzeniu, od którego wszystko się zaczęło. Kosmos był wtedy prostszy, jego ewolucję łatwiej porównywać z przewidywaniami.

Astronomowie po raz pierwszy próbowali zobaczyć najwcześniejsze struktury Wszechświata za pomocą teleskopu Hubble'a w 1995 roku. W ciągu 10 dni Hubble wykonał 342 ekspozycje pustego skrawka przestrzeni w Wielkim Wozie. Astronomowie byli zdumieni obfitością kryjącą się w atramentowej ciemności: Hubble mógł zobaczyć tysiące galaktyk w różnych odległościach i na różnych etapach rozwoju, sięgających znacznie wcześniejszych czasów, niż ktokolwiek się spodziewał. Hubble znalazłby kilka niezwykle odległych galaktyk – w 2016 roku astronomowie znalazł swój najdalszy, zwaną GN-z11, słabą smugą, którą datowali na 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Było to zaskakująco wcześnie jak na galaktykę, ale nie podało w wątpliwość modelu ΛCDM, po części dlatego, że galaktyka jest mała, ma zaledwie 1% masy Drogi Mlecznej, a po części dlatego, że stała sama. Astronomowie potrzebowali mocniejszego teleskopu, aby zobaczyć, czy GN-z11 jest dziwakiem, czy też częścią większej populacji zaskakująco wczesnych galaktyk, co mogłoby pomóc ustalić, czy brakuje nam kluczowego elementu przepisu ΛCDM.

Niewytłumaczalnie odległy

Teleskop kosmiczny nowej generacji, nazwany na cześć byłego szefa NASA, Jamesa Webba, uruchomiony w Boże Narodzenie 2021 r. Gdy tylko JWST został skalibrowany, światło z wczesnych galaktyk przedostało się do jego czułej elektroniki. Astronomowie opublikowali zalew artykułów opisujących to, co widzieli.

Naukowcy wykorzystują wersję efektu Dopplera do mierzenia odległości obiektów. Jest to podobne do ustalania lokalizacji karetki pogotowia na podstawie jej syreny: syrena brzmi wyżej, gdy się zbliża, a następnie ciszej, gdy się oddala. Im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej się od nas oddala, dlatego jej światło rozciąga się na dłuższe fale i wydaje się bardziej czerwone. Wielkość tego „przesunięcia ku czerwieni” wyraża się jako z, gdzie dana wartość dla z mówi, jak długo musiało przebyć światło obiektu, aby do nas dotrzeć.

Jeden z pierwszych dokumentów na JWST dane pochodziły od Naidu, astronoma z MIT i jego współpracowników, których algorytm wyszukiwania wskazał galaktykę, która wydawała się niewytłumaczalnie jasna i niewytłumaczalnie odległa. Naidu nazwał go GLASS-z13, wskazując jego pozorną odległość przy przesunięciu ku czerwieni równym 13 – dalej niż wszystko, co widziano wcześniej. (Przesunięcie ku czerwieni galaktyki zostało później skorygowane do 12.4 i przemianowano ją na GLASS-z12.) Inni astronomowie pracujący nad różnymi zestawami obserwacji JWST zgłaszali wartości przesunięcia ku czerwieni od 11 do 20, w tym jedna galaktyka o nazwie CEERS-1749 lub CR2-z17-1, którego światło najwyraźniej opuściło ją 13.7 miliarda lat temu, zaledwie 220 milionów lat po Wielkim Wybuchu — zaledwie mgnienie oka po rozpoczęciu kosmicznego czasu.

Te domniemane wykrycia sugerowały, że zgrabna historia znana jako ΛCDM może być niekompletna. W jakiś sposób galaktyki od razu stały się ogromne. „We wczesnym wszechświecie nie spodziewasz się zobaczyć masywnych galaktyk. Nie miały czasu na uformowanie tak wielu gwiazd i nie połączyły się ze sobą” – powiedział Chris Lovell, astrofizyk z University of Portsmouth w Anglii. Rzeczywiście, w badanie opublikowanego w listopadzie, naukowcy przeanalizowali symulacje komputerowe wszechświatów zarządzanych przez model ΛCDM i odkryli, że wczesne, jasne galaktyki JWST były o rząd wielkości cięższe niż te, które powstały jednocześnie w symulacjach.

Niektórzy astronomowie i media twierdzili, że JWST łamie kosmologię, ale nie wszyscy byli przekonani. Jednym z problemów jest to, że przewidywania ΛCDM nie zawsze są jednoznaczne. Podczas gdy ciemna materia i ciemna energia są proste, widzialna materia ma złożone interakcje i zachowania, i nikt nie wie dokładnie, co wydarzyło się w pierwszych latach po Wielkim Wybuchu; te szalone wczesne czasy muszą być przybliżone w symulacjach komputerowych. Innym problemem jest to, że trudno dokładnie określić, jak daleko znajdują się galaktyki.

W ciągu kilku miesięcy, które upłynęły od pierwszych artykułów, wiek niektórych rzekomych galaktyk o wysokim przesunięciu ku czerwieni został ponownie rozważony. Gdzieś zdegradowany do późniejszych etapów ewolucji kosmicznej z powodu zaktualizowanych kalibracji teleskopów. CEERS-1749 znajduje się w obszarze nieba zawierającym gromadę galaktyk, których światło zostało wyemitowane 12.4 miliarda lat temu. wydaje się bardziej przesunięty ku czerwieni niż jest. Według Naidu, CEERS-1749 jest dziwny, bez względu na to, jak daleko się znajduje. „Byłby to nowy typ galaktyki, o którym nie wiedzieliśmy: bardzo mała, malutka galaktyka, która w jakiś sposób zgromadziła w sobie dużo pyłu, czego tradycyjnie się nie spodziewamy” – powiedział. „Mogą istnieć te nowe typy obiektów, które zakłócają nasze poszukiwania bardzo odległych galaktyk”.

Przerwa Lymana

Wszyscy wiedzieli, że najbardziej ostateczne szacunki odległości będą wymagały najpotężniejszych możliwości JWST.

JWST obserwuje światło gwiazd nie tylko za pomocą fotometrii, czyli pomiaru jasności, ale także za pomocą spektroskopii, czyli pomiaru długości fal światła. Jeśli obserwacja fotometryczna jest jak zdjęcie twarzy w tłumie, to obserwacja spektroskopowa jest jak test DNA, który może określić historię rodziny danej osoby. Naidu i inni, którzy znaleźli duże wczesne galaktyki, zmierzyli przesunięcie ku czerwieni za pomocą pomiarów opartych na jasności – zasadniczo patrząc na twarze w tłumie za pomocą naprawdę dobrego aparatu. Ta metoda jest daleka od szczelności. (Na styczniowym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego astronomowie żartowali, że być może połowa wczesnych galaktyk obserwowanych wyłącznie za pomocą fotometrii okaże się być dokładnie zmierzona).

Ale na początku grudnia kosmolodzy ogłosił że połączyli obie metody dla czterech galaktyk. Zespół JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) poszukiwał galaktyk, których widmo światła podczerwonego nagle odcina się na krytycznej długości fali znanej jako przerwa Lymana. To pęknięcie następuje, ponieważ wodór unoszący się w przestrzeni między galaktykami pochłania światło. Z powodu ciągłej ekspansji Wszechświata — ciągle rosnącego chleba z rodzynkami — światło odległych galaktyk jest przesunięte, więc długość fali tego nagłego pęknięcia również się zmienia. Kiedy światło galaktyki wydaje się opadać na dłuższych falach, jest bardziej odległe. JADES zidentyfikował widma z przesunięciami ku czerwieni do 13.2, co oznacza, że ​​światło galaktyki zostało wyemitowane 13.4 miliarda lat temu.

Jak tylko dane zostały przesłane, badacze JADES zaczęli „wariować” we wspólnej grupie Slack, według Kevina Hainline'a, astronom z University of Arizona. „To było jak:„ O mój Boże, o mój Boże, zrobiliśmy to, zrobiliśmy to, zrobiliśmy to! ”- powiedział. „Te widma to dopiero początek tego, co moim zdaniem będzie nauką zmieniającą astronomię”.

Branta Robertsona, astronom JADES z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, mówi, że odkrycia pokazują, że wczesny wszechświat zmieniał się gwałtownie w ciągu pierwszego miliarda lat, a galaktyki ewoluowały 10 razy szybciej niż obecnie. Jest to podobne do tego, jak „koliber jest małym stworzeniem”, powiedział, „ale jego serce bije tak szybko, że żyje trochę innym życiem niż inne stworzenia. Bicie serca tych galaktyk odbywa się w znacznie szybszym tempie niż coś wielkości Drogi Mlecznej”.

Ale czy ich serca biły zbyt szybko, by ΛCDM mógł to wyjaśnić?

Możliwości teoretyczne

Gdy astronomowie i opinia publiczna gapili się na obrazy JWST, naukowcy zaczęli pracować za kulisami, aby ustalić, czy galaktyki migające w naszym polu widzenia naprawdę wywracają ΛCDM, czy tylko pomagają ustalić liczby, które powinniśmy wstawić do jego równań.

Jedna ważna, ale słabo poznana liczba dotyczy mas najwcześniejszych galaktyk. Kosmolodzy próbują określić ich masy, aby stwierdzić, czy odpowiadają one przewidywanej przez ΛCDM osi czasu wzrostu galaktyk.

Masa galaktyki pochodzi z jej jasności. Jednak Megan Donahue, astrofizyk z Michigan State University, mówi, że związek między masą a jasnością jest w najlepszym razie uzasadnionym przypuszczeniem, opartym na założeniach zebranych na podstawie znanych gwiazd i dobrze zbadanych galaktyk.

Jednym z kluczowych założeń jest to, że gwiazdy zawsze powstają w pewnym statystycznym zakresie mas, zwanym funkcją masy początkowej (IMF). Ten parametr IMF ma kluczowe znaczenie dla zebrania masy galaktyki z pomiarów jej jasności, ponieważ gorące, niebieskie, ciężkie gwiazdy wytwarzają więcej światła, podczas gdy większość masy galaktyki jest zwykle zamknięta w chłodnych, czerwonych, małych gwiazdach.

Ale możliwe, że MFW był inny we wczesnym wszechświecie. Jeśli tak, wczesne galaktyki JWST mogą nie być tak ciężkie, jak sugeruje ich jasność; mogą być jasne, ale lekkie. Ta możliwość przyprawia o ból głowy, ponieważ zmiana tych podstawowych danych wejściowych na model ΛCDM może dać niemal dowolną odpowiedź. Lovell mówi, że niektórzy astronomowie uważają majstrowanie przy MFW za „domenę niegodziwców”.

„Jeśli nie rozumiemy początkowej funkcji masy, zrozumienie galaktyk o wysokim przesunięciu ku czerwieni jest naprawdę wyzwaniem” – powiedział Wendy Freeman, astrofizyk z University of Chicago. Jej zespół pracuje nad obserwacjami i symulacjami komputerowymi, które pomogą ustalić MFW w różnych środowiskach.

Jesienią wielu ekspertów zaczęło podejrzewać, że poprawki w MFW i innych czynnikach mogą wystarczyć, aby wyrównać oświetlenie bardzo starożytnych galaktyk na instrumentach JWST z ΛCDM. „Myślę, że bardziej prawdopodobne jest, że będziemy w stanie uwzględnić te obserwacje w ramach standardowego paradygmatu” — powiedział Rachel Somerville, astrofizyk z Instytutu Flatiron (który, jak np Magazyn Quanta, jest finansowany przez Fundację Simonsa). W takim przypadku, powiedziała, „dowiadujemy się: jak szybko halo [ciemnej materii] może zbierać gaz? Jak szybko możemy sprawić, by gaz ostygł i zgęstniał, i żeby powstały gwiazdy? Być może dzieje się to szybciej we wczesnym wszechświecie; może gaz jest gęstszy; może jakoś szybciej płynie. Myślę, że wciąż uczymy się o tych procesach”.

Somerville bada również możliwość ingerencji czarnych dziur w dziecięcy kosmos. Astronomowie mają zauważyłem kilka świecących supermasywnych czarnych dziur o przesunięciu ku czerwieni równym 6 lub 7, około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Trudno sobie wyobrazić, jak do tego czasu gwiazdy mogły powstać, umrzeć, a następnie zapaść się w czarne dziury, które pochłonęły wszystko wokół nich i zaczęły wypluwać promieniowanie.

Ale jeśli w domniemanych wczesnych galaktykach znajdują się czarne dziury, może to wyjaśniać, dlaczego galaktyki wydają się tak jasne, nawet jeśli w rzeczywistości nie są bardzo masywne, powiedział Somerville.

Potwierdzenie, że ΛCDM może pomieścić przynajmniej niektóre z wczesnych galaktyk JWST, dotarło dzień przed Bożym Narodzeniem. Astronomowie kierowani przez Benjamina Kellera na Uniwersytecie w Memphis w kratę kilka dużych symulacji superkomputerowych wszechświatów ΛCDM i odkryli, że symulacje mogą wytwarzać galaktyki tak ciężkie jak cztery, które były badane spektroskopowo przez zespół JADES. (Te cztery są w szczególności mniejsze i ciemniejsze niż inne domniemane wczesne galaktyki, takie jak GLASS-z12). W analizie zespołu wszystkie symulacje dały galaktyki wielkości znalezisk JADES przy przesunięciu ku czerwieni równym 10. Jedna symulacja mogłaby stworzyć takie galaktyki przy przesunięciu ku czerwieni równym 13, takim samym, jakie widział JADES, a dwie inne mogły zbudować galaktyki przy jeszcze większym przesunięciu ku czerwieni. Żadna z galaktyk JADES nie była w konflikcie z obecnym paradygmatem ΛCDM, poinformował Keller i współpracownicy na serwerze preprint arxiv.org 24 grudnia.

Chociaż brakuje im siły, aby przełamać dominujący model kosmologiczny, galaktyki JADES mają inne szczególne cechy. Hainline powiedział, że ich gwiazdy wydają się nieskażone metalami z wcześniej eksplodowanych gwiazd. Może to oznaczać, że są to gwiazdy Populacji III – gorliwie poszukiwana pierwsza generacja gwiazd, które kiedykolwiek się zapalą – i że mogą przyczyniać się do rejonizacji Wszechświata. Jeśli to prawda, to JWST już cofnął się do tajemniczego okresu, w którym wszechświat został ustawiony na swoim obecnym kursie.

Nadzwyczajne dowody

 Spektroskopowe potwierdzenie dodatkowych wczesnych galaktyk może nadejść tej wiosny, w zależności od tego, jak komisja alokacji czasu JWST podzieli rzeczy. Kampania obserwacyjna o nazwie WDEEP będzie w szczególności poszukiwać galaktyk sprzed mniej niż 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. W miarę jak naukowcy potwierdzą odległości galaktyk i staną się lepsi w szacowaniu ich mas, pomogą rozstrzygnąć losy ΛCDM.

Trwa już wiele innych obserwacji, które mogą zmienić obraz ΛCDM. Freedman, która bada początkową funkcję masy, wstała pewnej nocy o 1 w nocy i pobierała dane JWST dotyczące gwiazd zmiennych, które wykorzystuje jako „świece wzorcowe” do mierzenia odległości i wieku. Pomiary te mogą pomóc w wytrząśnięciu kolejnego potencjalnego problemu z ΛCDM, znanego jako napięcie Hubble'a. Problem polega na tym, że obecnie wszechświat wydaje się rozszerzać szybciej niż przewiduje ΛCDM dla wszechświata, który ma 13.8 miliarda lat. Kosmologowie mają wiele możliwych wyjaśnień. Być może, spekulują niektórzy kosmolodzy, gęstość ciemnej energii, która przyspiesza rozszerzanie się Wszechświata, nie jest stała, jak w ΛCDM, ale zmienia się w czasie. Zmiana historii ekspansji Wszechświata może nie tylko rozwiązać napięcie Hubble'a, ale także zrewidować obliczenia wieku Wszechświata przy danym przesunięciu ku czerwieni. JWST może widzieć wczesną galaktykę taką, jaka się pojawiła, powiedzmy 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a nie 300 milionów lat. Wtedy nawet najcięższe domniemane wczesne galaktyki w zwierciadłach JWST miałyby dużo czasu na połączenie się, mówi Somerville.

Astronomom brakuje superlatyw, gdy mówią o wczesnych wynikach galaktyk JWST. Zasypują swoje rozmowy śmiechem, przekleństwami i okrzykami, nawet gdy przypominają sobie powiedzenie Carla Sagana, choć nadużywane, że nadzwyczajne twierdzenia wymagają nadzwyczajnych dowodów. Nie mogą się doczekać, aby zdobyć więcej obrazów i widm, które pomogą im udoskonalić lub ulepszyć modele. „To są najlepsze problemy”, powiedział Boylan-Kolchin, „ponieważ bez względu na to, co otrzymasz, odpowiedź jest interesująca”.