Modelul standard de cosmologie supraviețuiește descoperirilor surprinzătoare ale unui telescop

Crăpăturile din cosmologie ar fi trebuit să dureze ceva timp să apară. Dar când telescopul spațial James Webb (JWST) și-a deschis obiectivul în primăvara trecută, galaxii extrem de îndepărtate, dar foarte luminoase, au strălucit imediat în câmpul vizual al telescopului. „Erau atât de prost de strălucitori și pur și simplu s-au remarcat”, a spus Rohan Naidu, astronom la Institutul de Tehnologie din Massachusetts.

Distanțele aparente ale galaxiilor față de Pământ sugerează că acestea s-au format mult mai devreme în istoria universului decât a anticipat oricine. (Cu cât ceva este mai departe, cu atât lumina lui a răbufnit cu mai mult timp în urmă.) Îndoielile s-au învârtit, dar în decembrie, astronomii au confirmat că unele dintre galaxii sunt într-adevăr la fel de îndepărtate și, prin urmare, la fel de primordiale, așa cum par. Cea mai timpurie dintre acele galaxii confirmate și-a aruncat lumina la 330 de milioane de ani după Big Bang, devenind-o noul deținător de record pentru cea mai veche structură cunoscută din univers. Acea galaxie era destul de întunecată, dar alți candidați legați vag de aceeași perioadă de timp străluceau deja puternic, ceea ce înseamnă că erau potențial uriași.

Cum ar putea stelele să se aprindă în interiorul norilor de gaz supraîncălziți atât de curând după Big Bang? Cum au putut ei să se împletească în grabă în structuri atât de uriașe legate gravitațional? Găsirea unor galaxii timpurii atât de mari, strălucitoare, pare să se aseamănă cu găsirea unui iepure fosilizat în straturile precambriene. „Nu există lucruri mari la începuturi. Este nevoie de ceva timp pentru a ajunge la lucruri mari”, a spus Mike Boylan-Kolchin, un fizician teoretician la Universitatea din Texas, Austin.

Astronomii au început să se întrebe dacă abundența de lucruri mari timpurii sfidează înțelegerea actuală a cosmosului. Unii cercetători și instituții de presă au susținut că observațiile telescopului încalcă modelul standard al cosmologiei - un set bine testat de ecuații numit materie întunecată rece lambda sau modelul ΛCDM - indicând în mod palpitant către noi ingrediente cosmice sau legi care guvernează. De atunci a devenit clar, totuși, că modelul ΛCDM este rezistent. În loc să forțeze cercetătorii să rescrie regulile cosmologiei, descoperirile JWST îi fac pe astronomi să regândească modul în care sunt făcute galaxiile, în special la începutul cosmic. Telescopul nu a rupt încă cosmologia, dar asta nu înseamnă că cazul galaxiilor prea timpurii se va dovedi a fi altceva decât epocal.

Vremuri mai simple

Pentru a vedea de ce este surprinzătoare detectarea foarte timpurii a galaxiilor luminoase, ajută la înțelegerea a ceea ce cosmologii știu – sau cred că știu – despre univers.

După Big Bang, universul infantil a început să se răcească. În câteva milioane de ani, plasma agitată care umplea spațiul s-a așezat, iar electronii, protonii și neutronii s-au combinat în atomi, în principal hidrogen neutru. Lucrurile au fost liniștite și întunecate pentru o perioadă de durată incertă, cunoscută sub numele de evurile întunecate cosmice. Apoi sa întâmplat ceva.

Majoritatea materialului care s-a destrămat după Big Bang este făcut din ceva ce nu putem vedea, numit materie întunecată. A exercitat o influență puternică asupra cosmosului, mai ales la început. În imaginea standard, materia întunecată rece (un termen care înseamnă particule invizibile, care se mișcă lentă) a fost aruncată în jurul cosmosului fără discriminare. În unele zone, distribuția sa a fost mai densă, iar în aceste regiuni a început să se prăbușească în pâlcuri. Materia vizibilă, adică atomi, s-a adunat în jurul aglomerărilor de materie întunecată. Pe măsură ce atomii s-au răcit și ei, s-au condensat în cele din urmă și s-au născut primele stele. Aceste noi surse de radiații au reîncărcat hidrogenul neutru care a umplut universul în timpul așa-numitei epoci a reionizării. Prin gravitație, structuri mai mari și mai complexe au crescut, construind o vastă rețea cosmică de galaxii.

Între timp, totul a continuat să se destrame. Astronomul Edwin Hubble și-a dat seama în anii 1920 că universul se extinde, iar la sfârșitul anilor 1990, omonim, Telescopul Spațial Hubble, a găsit dovezi că expansiunea se accelerează. Gândește-te la univers ca la o pâine cu stafide. Începe ca un amestec de făină, apă, drojdie și stafide. Când combinați aceste ingrediente, drojdia începe să respire și pâinea începe să crească. Stafidele din ea - înlocuitori pentru galaxii - se întind mai departe unele de altele pe măsură ce pâinea se extinde.

Telescopul Hubble a văzut că pâinea crește din ce în ce mai repede. Stafidele se despart într-un ritm care sfidează atracția lor gravitațională. Această accelerație pare să fie condusă de energia respingătoare a spațiului însuși - așa-numita energie întunecată, care este reprezentată de litera greacă Λ (pronunțată „lambda”). Introduceți valorile pentru Λ, materia întunecată rece și materia obișnuită și radiația în ecuațiile teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein și obțineți un model al modului în care evoluează universul. Acest model de „lambda materie întunecată rece” (ΛCDM) se potrivește cu aproape toate observațiile cosmosului.

O modalitate de a testa această imagine este să vă uitați la galaxii foarte îndepărtate - echivalent cu privirea înapoi în timp, la primele câteva sute de milioane de ani de la lovitura uriașă care a început totul. Cosmosul era mai simplu atunci, evoluția lui mai ușor de comparat cu previziunile.

Astronomii au încercat pentru prima dată să vadă cele mai vechi structuri ale universului folosind telescopul Hubble în 1995. Peste 10 zile, Hubble a capturat 342 de expuneri ale unui petic de spațiu cu aspect gol în Carul Mare. Astronomii au fost uimiți de abundența ascunsă în întunericul cerneală: Hubble a putut vedea mii de galaxii la distanțe și stadii de dezvoltare diferite, întinzându-se în vremuri mult mai devreme decât se aștepta oricine. Hubble ar continua să găsească câteva galaxii extrem de îndepărtate - în 2016, astronomii și-a găsit cel mai îndepărtat, numit GN-z11, o pată slabă pe care o datează la 400 de milioane de ani după Big Bang.

A fost surprinzător de devreme pentru o galaxie, dar nu a pus la îndoială modelul ΛCDM, în parte pentru că galaxia este mică, cu doar 1% din masa Căii Lactee și în parte pentru că a stat singură. Astronomii aveau nevoie de un telescop mai puternic pentru a vedea dacă GN-z11 a fost o ciudățenie sau o parte dintr-o populație mai mare de galaxii timpurii, care ar putea ajuta la determinarea dacă ne lipsește o parte crucială a rețetei ΛCDM.

Inexplicabil de îndepărtat

Telescopul spațial de ultimă generație, numit după fostul lider al NASA James Webb, lansat în ziua de Crăciun 2021. De îndată ce JWST a fost calibrat, lumina din galaxiile timpurii a picurat în electronicele sale sensibile. Astronomii au publicat o serie de lucrări care descriu ceea ce au văzut.

Cercetătorii folosesc o versiune a efectului Doppler pentru a măsura distanțele obiectelor. Acest lucru este similar cu aflarea locației unei ambulanțe pe baza sirenei sale: sirena sună mai înaltă pe măsură ce se apropie și apoi mai jos pe măsură ce se retrage. Cu cât o galaxie este mai departe, cu atât se îndepărtează mai repede de noi și astfel lumina ei se întinde la lungimi de undă mai mari și pare mai roșie. Mărimea acestei „deplasări spre roșu” este exprimată ca z, unde o valoare dată pentru z vă spune cât de mult trebuie să fi parcurs lumina unui obiect pentru a ajunge la noi.

Una dintre primele lucrări datele despre JWST au venit de la Naidu, astronomul MIT, și colegii săi, al căror algoritm de căutare a semnalat o galaxie care părea inexplicabil de strălucitoare și inexplicabil de îndepărtată. Naidu l-a numit GLASS-z13, indicând distanța sa aparentă la o deplasare spre roșu de 13 - mai departe decât orice s-a văzut înainte. (Deplasarea către roșu a galaxiei a fost ulterior revizuită la 12.4 și a fost redenumită GLASS-z12.) Alți astronomi care lucrau la diferitele seturi de observații JWST raportau valori de deplasare către roșu de la 11 la 20, inclusiv o galaxie numită CEERS-1749 sau CR2-z17-1, a cărui lumină pare să fi părăsit-o acum 13.7 miliarde de ani, la doar 220 de milioane de ani după Big Bang - abia clipi după începutul timpului cosmic.

Aceste detecții presupuse au sugerat că povestea îngrijită cunoscută sub numele de ΛCDM ar putea fi incompletă. Cumva, galaxiile au devenit imense imediat. „În universul timpuriu, nu te aștepți să vezi galaxii masive. Nu au avut timp să formeze atât de multe stele și nu s-au unit împreună”, a spus Chris Lovell, astrofizician la Universitatea din Portsmouth din Anglia. Într-adevăr, în un studiu publicate în noiembrie, cercetătorii au analizat simulările pe computer ale universurilor guvernate de modelul ΛCDM și au descoperit că galaxiile luminoase timpurii ale lui JWST erau cu un ordin de mărime mai grele decât cele care s-au format concomitent în simulări.

Unii astronomi și mass-media au susținut că JWST încalcă cosmologia, dar nu toată lumea era convinsă. O problemă este că predicțiile ΛCDM nu sunt întotdeauna clare. În timp ce materia întunecată și energia întunecată sunt simple, materia vizibilă are interacțiuni și comportamente complexe și nimeni nu știe exact ce s-a întâmplat în primii ani după Big Bang; acele timpuri frenetice de început trebuie să fie aproximate în simulările computerizate. Cealaltă problemă este că este greu de spus cu exactitate cât de departe sunt galaxiile.

În lunile de la primele lucrări, vârstele unora dintre presupusele galaxii cu deplasare către roșu au fost reconsiderate. Undeva declasată la etapele ulterioare ale evoluției cosmice din cauza calibrărilor actualizate ale telescopului. CEERS-1749 se găsește într-o regiune a cerului care conține un grup de galaxii a cărui lumină a fost emisă cu 12.4 miliarde de ani în urmă, iar Naidu spune că este posibil ca galaxia să facă de fapt parte din acest cluster - un intrus mai apropiat care ar putea fi umplut cu praf care face pare mai deplasat spre roșu decât este. Potrivit lui Naidu, CEERS-1749 este ciudat, indiferent cât de departe ar fi. „Ar fi un nou tip de galaxie despre care nu știam: o galaxie mică, de masă foarte mică, care a acumulat cumva mult praf în ea, ceea ce este ceva la care în mod tradițional nu ne așteptăm”, a spus el. „Ar putea exista doar aceste noi tipuri de obiecte care ne încurcă căutările pentru galaxii foarte îndepărtate.”

Pauza Lyman

Toată lumea știa că cele mai definitive estimări ale distanței ar necesita cea mai puternică capacitate a JWST.

JWST nu numai că observă lumina stelelor prin fotometrie sau prin măsurarea luminozității, ci și prin spectroscopie sau prin măsurarea lungimilor de undă ale luminii. Dacă o observație fotometrică este ca o imagine a unei fețe într-o mulțime, atunci o observație spectroscopică este ca un test ADN care poate spune istoria familiei unui individ. Naidu și alții care au găsit galaxii timpurii mari au măsurat deplasarea spre roșu folosind măsurători derivate din luminozitate - în esență privind fețele din mulțime folosind o cameră foarte bună. Această metodă este departe de a fi etanșă. (La o reuniune din ianuarie a Societății Americane de Astronomie, astronomii au glumit că poate jumătate din galaxiile timpurii observate doar cu fotometrie se vor dovedi a fi măsurate cu precizie.)

Dar la începutul lunii decembrie, cosmologii a anunțat că au combinat ambele metode pentru patru galaxii. Echipa JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) a căutat galaxii al căror spectru de lumină infraroșu se întrerupe brusc la o lungime de undă critică cunoscută sub numele de întrerupere Lyman. Această pauză are loc deoarece hidrogenul care plutește în spațiul dintre galaxii absoarbe lumina. Din cauza expansiunii continue a universului - pâinea de stafide în continuă creștere - lumina galaxiilor îndepărtate este schimbată, astfel încât lungimea de undă a acelei întreruperi bruște se schimbă și ea. Când lumina unei galaxii pare să scadă la lungimi de undă mai mari, aceasta este mai îndepărtată. JADES a identificat spectre cu deplasări spre roșu de până la 13.2, ceea ce înseamnă că lumina galaxiei a fost emisă acum 13.4 miliarde de ani.

De îndată ce datele au fost conectate în jos, cercetătorii JADES au început să „spăie” într-un grup Slack partajat, potrivit Kevin Hainline, astronom la Universitatea din Arizona. „Era de genul: „O, Doamne, o, Dumnezeule, am făcut-o, am făcut-o, am făcut-o!””, a spus el. „Aceste spectre sunt doar începutul a ceea ce cred că va fi știință care va schimba astronomia.”

Brant Robertson, un astronom JADES de la Universitatea din California, Santa Cruz, spune că descoperirile arată că universul timpuriu s-a schimbat rapid în primul său miliard de ani, galaxiile evoluând de 10 ori mai repede decât în ​​prezent. Este asemănător cu modul în care „o pasăre colibri este o creatură mică”, a spus el, „dar inima îi bate atât de repede încât trăiește o viață diferită de cea a altor creaturi. Bătăile inimii acestor galaxii se întâmplă la o scară de timp mult mai rapidă decât ceva de dimensiunea Căii Lactee.”

Dar le bătea inimile prea repede pentru ca ΛCDM să le explice?

Posibilitati teoretice

În timp ce astronomii și publicul stăteau cu gura căscată la imaginile JWST, cercetătorii au început să lucreze în culise pentru a determina dacă galaxiile care clipesc în vederea noastră răstoarnă într-adevăr ΛCDM sau doar ajută la stabilirea numerelor pe care ar trebui să le introducem în ecuațiile sale.

Un număr important, dar puțin înțeles, se referă la masele celor mai vechi galaxii. Cosmologii încearcă să-și determine masele pentru a spune dacă se potrivesc cu cronologia prezisă de ΛCDM a creșterii galaxiilor.

Masa unei galaxii este derivată din luminozitatea acesteia. Dar Megan Donahue, un astrofizician la Universitatea de Stat din Michigan, spune că, în cel mai bun caz, relația dintre masă și luminozitate este o presupunere educată, bazată pe presupuneri culese din stele cunoscute și galaxii bine studiate.

O presupunere cheie este că stelele se formează întotdeauna într-un anumit interval statistic de mase, numită funcție de masă inițială (IMF). Acest parametru IMF este crucial pentru a culege masa unei galaxii din măsurătorile luminozității sale, deoarece stelele fierbinți, albastre și grele produc mai multă lumină, în timp ce majoritatea masei unei galaxii este de obicei blocată în stele mici, reci, roșii.

Dar este posibil ca FMI să fi fost diferit în universul timpuriu. Dacă da, galaxiile timpurii ale lui JWST ar putea să nu fie atât de grele pe cât sugerează luminozitatea lor; ar putea fi strălucitoare, dar luminoase. Această posibilitate provoacă dureri de cap, deoarece schimbarea acestei intrări de bază la modelul ΛCDM vă poate oferi aproape orice răspuns doriți. Lovell spune că unii astronomi consideră că jocul cu FMI este „domeniul celor răi”.

„Dacă nu înțelegem funcția inițială a masei, atunci înțelegerea galaxiilor cu deplasare spre roșu ridicată este cu adevărat o provocare”, a spus. Wendy Freeman, astrofizician la Universitatea din Chicago. Echipa ei lucrează la observații și simulări pe computer care vor ajuta la identificarea FMI în diferite medii.

Pe parcursul toamnei, mulți experți au ajuns să bănuiască că modificările aduse FMI și alți factori ar putea fi suficiente pentru a pătra galaxiile foarte străvechi care iluminează instrumentele lui JWST cu ΛCDM. „Cred că este de fapt mai probabil să putem acomoda aceste observații în paradigma standard”, a spus Rachel Somerville, un astrofizician la Institutul Flatiron (care, cum ar fi Revista Quanta, este finanțat de Fundația Simons). În acest caz, a spus ea, „ceea ce învățăm este: cât de repede pot halourile [materia întunecată] să colecteze gazul? Cât de repede putem face gazul să se răcească și să devină dens și să facem stele? Poate că asta se întâmplă mai repede în universul timpuriu; poate gazul este mai dens; poate cumva curge mai repede. Cred că încă învățăm despre aceste procese.”

Somerville studiază, de asemenea, posibilitatea ca găurile negre să interfereze cu cosmosul bebelușului. Astronomii au a observat câteva găuri negre supermasive strălucitoare la o deplasare spre roșu de 6 sau 7, la aproximativ un miliard de ani după Big Bang. Este greu de conceput cum, până în acel moment, stelele s-ar fi putut forma, să moară și apoi să se prăbușească în găuri negre care au mâncat tot ce le înconjura și au început să arunce radiații.

Dar dacă există găuri negre în interiorul presupuselor galaxii timpurii, asta ar putea explica de ce galaxiile par atât de strălucitoare, chiar dacă de fapt nu sunt foarte masive, a spus Somerville.

Confirmarea că ΛCDM poate găzdui cel puțin unele dintre primele galaxii ale JWST a sosit cu o zi înainte de Crăciun. Astronomii conduși de Benjamin Keller la Universitatea din Memphis verificat câteva simulări majore de supercomputer ale universurilor ΛCDM și au descoperit că simulările ar putea produce galaxii la fel de grele ca cele patru care au fost studiate spectroscopic de echipa JADES. (Aceste patru sunt, în special, mai mici și mai slabe decât alte presupuse galaxii timpurii, cum ar fi GLASS-z12.) În analiza echipei, toate simulările au dat galaxii de dimensiunea descoperirilor JADES la o deplasare spre roșu de 10. O simulare ar putea crea astfel de galaxii. la o deplasare spre roșu de 13, la fel ca ceea ce a văzut JADES, iar alte două ar putea construi galaxiile la o deplasare și mai mare spre roșu. Niciuna dintre galaxiile JADES nu a fost în tensiune cu actuala paradigmă ΛCDM, au raportat Keller și colegii pe serverul de preprint arxiv.org pe 24 decembrie.

Deși nu au puterea de a sparge modelul cosmologic predominant, galaxiile JADES au alte caracteristici speciale. Hainline a spus că stelele lor par nepoluate de metalele din stelele explodate anterior. Acest lucru ar putea însemna că sunt stele din populația III - prima generație de stele căutată cu aviditate care se aprinde vreodată - și că ar putea contribui la reionizarea universului. Dacă acest lucru este adevărat, atunci JWST s-a uitat deja înapoi la perioada misterioasă în care universul a fost pus pe cursul actual.

Dovezi extraordinare

 Confirmarea spectroscopică a galaxiilor timpurii suplimentare ar putea veni în această primăvară, în funcție de modul în care comitetul de alocare a timpului JWST împarte lucrurile. O campanie de observare numită WDEEP va căuta în mod special galaxii de la mai puțin de 300 de milioane de ani după Big Bang. Pe măsură ce cercetătorii confirmă distanțele mai multor galaxii și devin mai buni în estimarea maselor lor, ei vor ajuta la stabilirea soartei ΛCDM.

Multe alte observații sunt deja în curs de desfășurare care ar putea schimba imaginea pentru ΛCDM. Freedman, care studiază funcția inițială a masei, s-a trezit la 1 dimineața într-o noapte, descarcând date JWST despre stelele variabile pe care le folosește ca „lumânări standard” pentru măsurarea distanțelor și vârstelor. Aceste măsurători ar putea ajuta la eliminarea unei alte probleme potențiale cu ΛCDM, cunoscută sub numele de tensiune Hubble. Problema este că universul pare să se extindă în prezent mai repede decât prevede ΛCDM pentru un univers vechi de 13.8 miliarde de ani. Cosmologii au o mulțime de explicații posibile. Poate, speculează unii cosmologi, densitatea energiei întunecate care accelerează expansiunea universului nu este constantă, ca în ΛCDM, ci se schimbă în timp. Schimbarea istoriei de expansiune a universului ar putea nu numai să rezolve tensiunea Hubble, ci și să revizuiască calculele vârstei universului la o dată deplasare către roșu. JWST ar putea vedea o galaxie timpurie așa cum a apărut, să zicem, la 500 de milioane de ani după Big Bang și nu la 300 de milioane. Apoi, chiar și cele mai grele galaxii timpurii presupuse din oglinzile lui JWST ar fi avut suficient timp să se unească, spune Somerville.

Astronomii rămân fără superlative când vorbesc despre rezultatele timpurii ale galaxiilor JWST. Își pisează conversațiile cu hohote de râsete, exclamații și exclamații, chiar dacă își amintesc de zicala lui Carl Sagan, oricât de folosită în exces, că afirmațiile extraordinare necesită dovezi extraordinare. Abia așteaptă să pună mâna pe mai multe imagini și spectre, care îi vor ajuta să-și perfecționeze sau să-și modifice modelele. „Acestea sunt cele mai bune probleme”, a spus Boylan-Kolchin, „pentru că indiferent de ceea ce primești, răspunsul este interesant”.