Standardni model kozmologije preživi presenetljive najdbe teleskopa

Razpoke v kozmologiji naj bi trajale nekaj časa, da so se pojavile. Toda ko je vesoljski teleskop James Webb (JWST) lani spomladi odprl svojo lečo, so izjemno oddaljene, a zelo svetle galaksije takoj zasijale v vidno polje teleskopa. "Bili so tako neumno bistri in so preprosto izstopali," je rekel Rohan Naidu, astronom na tehnološkem inštitutu v Massachusettsu.

Navidezne oddaljenosti galaksij od Zemlje kažejo, da so nastale veliko prej v zgodovini vesolja, kot je kdo pričakoval. (Bolj ko je nekaj oddaljeno, dlje je njegova svetloba izbruhnila.) Dvomi so se vrtinčili, a decembra so astronomi potrdili, da so nekatere galaksije res tako oddaljene in torej tako prvobitne, kot se zdijo. Najzgodnejša od teh potrjenih galaksij je osvetlila 330 milijonov let po velikem poku, s čimer je postala novi rekorder za najzgodnejšo znano strukturo v vesolju. Ta galaksija je bila precej temna, toda drugi kandidati, ohlapno vezani na isto časovno obdobje, so že svetili, kar pomeni, da so bili potencialno ogromni.

Kako so se zvezde lahko vžgale v pregretih oblakih plina tako kmalu po velikem poku? Kako so se lahko na hitro vpletli v tako ogromne gravitacijsko vezane strukture? Najti tako velike, svetle, zgodnje galaksije se zdi podobno iskanju fosiliziranega zajca v predkambrijski plasti. »Na začetku ni velikih stvari. Potrebuje nekaj časa, da pridemo do velikih stvari,« je dejal Mike Boylan-Kolchin, teoretični fizik na Univerzi v Teksasu v Austinu.

Astronomi so se začeli spraševati, ali obilica zgodnjih velikih stvari nasprotuje trenutnemu razumevanju vesolja. Nekateri raziskovalci in mediji so trdili, da so opazovanja teleskopa kršila standardni kozmološki model – dobro preizkušeni nabor enačb, imenovan model hladne temne snovi lambda ali ΛCDM – vznemirljivo kažejo na nove kozmične sestavine ali vladajoče zakone. Od takrat pa je postalo jasno, da je model ΛCDM odporen. Namesto da bi raziskovalce prisilili, da na novo napišejo pravila kozmologije, ugotovitve JWST prisilijo astronome k ponovnemu razmišljanju o tem, kako nastanejo galaksije, zlasti na kozmičnem začetku. Teleskop še ni razbil kozmologije, a to ne pomeni, da se bo primer prezgodnjih galaksij izkazal za kaj drugega kot epohalen.

Preprostejši časi

Da bi razumeli, zakaj je odkrivanje zelo zgodnjih, svetlih galaksij presenetljivo, pomaga razumeti, kaj kozmologi vedo - ali mislijo, da vedo - o vesolju.

Po velikem poku se je novo vesolje začelo ohlajati. V nekaj milijonih let se je razburkana plazma, ki je polnila vesolje, umirila, elektroni, protoni in nevtroni pa so se združili v atome, večinoma nevtralnega vodika. Stvari so bile tihe in temne v obdobju negotovega trajanja, znanem kot kozmična temna doba. Nato se je nekaj zgodilo.

Večina materiala, ki je razletel po velikem poku, je sestavljen iz nečesa, česar ne vidimo, imenovanega temna snov. Izvajala je močan vpliv na vesolje, zlasti na začetku. Na standardni sliki je bila hladna temna snov (izraz, ki pomeni nevidne, počasi gibajoče se delce) neselektivno razmetavana po vesolju. Na nekaterih območjih je bila njegova porazdelitev gostejša in v teh regijah se je začela sesedati v grude. Vidna snov, kar pomeni atome, zbrana okoli grudic temne snovi. Ko so se tudi atomi ohladili, so se sčasoma kondenzirali in rodile so se prve zvezde. Ti novi viri sevanja so napolnili nevtralni vodik, ki je napolnil vesolje med tako imenovano dobo reionizacije. Zaradi gravitacije so rasle večje in bolj zapletene strukture, ki so zgradile obsežno kozmično mrežo galaksij.

Medtem je vse kar letelo narazen. Astronom Edwin Hubble je v dvajsetih letih 1920. stoletja ugotovil, da se vesolje širi, v poznih devetdesetih pa je njegov soimenjak, vesoljski teleskop Hubble, našel dokaze, da se širitev pospešuje. Pomislite na vesolje kot na štruco kruha z rozinami. Začne se kot mešanica moke, vode, kvasa in rozin. Ko te sestavine zmešaš, začne kvas dihati in štruca začne vzhajati. Rozine v njem - nadomestki za galaksije - se raztezajo bolj narazen, ko se štruca širi.

Teleskop Hubble je videl, da štruca vzhaja vse hitreje. Rozine letijo narazen s hitrostjo, ki kljubuje njihovi gravitacijski privlačnosti. Zdi se, da to pospeševanje poganja odbojna energija samega vesolja - tako imenovana temna energija, ki jo predstavlja grška črka Λ (izgovarja se "lambda"). Vstavite vrednosti za Λ, hladno temno snov ter običajno snov in sevanje v enačbe splošne teorije relativnosti Alberta Einsteina in dobili boste model, kako se vesolje razvija. Ta model "lambda hladne temne snovi" (ΛCDM) se ujema s skoraj vsemi opazovanji vesolja.

Eden od načinov za preizkušanje te slike je opazovanje zelo oddaljenih galaksij - kar je enakovredno gledanju v preteklost do prvih nekaj sto milijonov let po strašnem tlesku, ki je vse skupaj začel. Vesolje je bilo takrat preprostejše, njegov razvoj je bilo lažje primerjati z napovedmi.

Astronomi so s teleskopom Hubble leta 1995 prvič poskušali videti najzgodnejše strukture vesolja. Hubble je v 10 dneh posnel 342 posnetkov praznega dela vesolja v Velikem vozu. Astronomi so bili presenečeni nad obiljem, ki se skriva v črnilni temi: Hubble je lahko videl na tisoče galaksij na različnih razdaljah in stopnjah razvoja, ki segajo v veliko zgodnejše čase, kot je kdo pričakoval. Hubble je nadaljeval z iskanjem nekaterih izjemno oddaljenih galaksij – leta 2016 so astronomi našel svojo najbolj oddaljeno, imenovan GN-z11, šibek madež, ki so ga datirali 400 milijonov let po velikem poku.

To je bilo presenetljivo zgodaj za galaksijo, vendar ni vzbudilo dvoma o modelu ΛCDM, deloma zato, ker je galaksija majhna, z le 1 % mase Rimske ceste, in deloma zato, ker je stala sama. Astronomi so potrebovali močnejši teleskop, da bi ugotovili, ali je GN-z11 čudak ali del večje populacije osupljivo zgodnjih galaksij, kar bi lahko pomagalo ugotoviti, ali nam manjka ključni del recepta ΛCDM.

Neobračunljivo oddaljena

Vesoljski teleskop naslednje generacije, imenovan po nekdanjem vodji Nase Jamesu Webbu, lansiran na božični dan 2021. Takoj ko je bil JWST umerjen, je svetloba iz zgodnjih galaksij kapljala v njegovo občutljivo elektroniko. Astronomi so objavili poplavo člankov, v katerih so opisali, kaj so videli.

Raziskovalci uporabljajo različico Dopplerjevega učinka za merjenje razdalje predmetov. To je podobno ugotavljanju lokacije reševalnega vozila na podlagi njegove sirene: sirena zazveni višje, ko se približuje, in nato nižje, ko se oddaljuje. Bolj ko je galaksija oddaljena, hitreje se oddaljuje od nas, zato se njena svetloba razteza na daljše valovne dolžine in je videti bolj rdeča. Velikost tega "rdečega premika" je izražena kot z, kjer je dana vrednost za z pove, kako dolgo je morala potovati svetloba predmeta, da je prišla do nas.

Eden prvih prispevkov na podatkih JWST so prišli od Naiduja, astronoma MIT, in njegovih kolegov, katerih iskalni algoritem je označil galaksijo, ki se je zdela nerazložljivo svetla in neobjasnjeno oddaljena. Naidu ga je poimenoval GLASS-z13, kar kaže na njegovo navidezno razdaljo pri rdečem premiku 13 - dlje kot karkoli doslej. (Rdeči premik galaksije je bil pozneje popravljen na 12.4 in preimenovan v GLASS-z12.) Drugi astronomi, ki so delali na različnih sklopih opazovanj JWST, so poročali o vrednostih rdečega premika od 11 do 20, vključno z eno galaksijo, imenovano CEERS-1749 ali CR2-z17-1, za katerega se zdi, da ga je svetloba zapustila pred 13.7 milijardami let, le 220 milijonov let po velikem poku - komaj en utrip po začetku kozmičnega časa.

Ta domnevna odkritja so pokazala, da je čista zgodba, znana kot ΛCDM, morda nepopolna. Nekako so galaksije takoj postale ogromne. »V zgodnjem vesolju ne pričakujete, da boste videli ogromne galaksije. Niso imele časa, da bi oblikovale toliko zvezd, in se niso zlile skupaj,« je povedal Chris Lovell, astrofizik z Univerze v Portsmouthu v Angliji. Dejansko v študija objavljenem novembra, so raziskovalci analizirali računalniške simulacije vesolj, ki jih ureja model ΛCDM, in ugotovili, da so bile zgodnje, svetle galaksije JWST za red velikosti težje od tistih, ki so nastale sočasno v simulacijah.

Nekateri astronomi in mediji so trdili, da JWST razbija kozmologijo, vendar vsi niso bili prepričani. Ena težava je, da napovedi ΛCDM niso vedno jasne. Medtem ko sta temna snov in temna energija preprosti, ima vidna snov zapletene interakcije in vedenja in nihče ne ve natančno, kaj se je zgodilo v prvih letih po velikem poku; te frenetične zgodnje čase je treba približati v računalniških simulacijah. Druga težava je, da je težko natančno povedati, kako daleč so galaksije.

V mesecih od prvih dokumentov je bila ponovno preučena starost nekaterih domnevnih galaksij z visokim rdečim premikom. Nekateri so bili demotiran na kasnejše stopnje kozmične evolucije zaradi posodobljenih kalibracij teleskopa. CEERS-1749 najdemo v območju neba, ki vsebuje jato galaksij, katerih svetloba je bila oddana pred 12.4 milijarde let, in Naidu pravi, da je možno, da je galaksija dejansko del te jate – bližji vsiljivec, ki je lahko napolnjen s prahom, ki povzroča videti je bolj rdeče premaknjeno, kot je. Po mnenju Naiduja je CEERS-1749 čuden, ne glede na to, kako daleč je. "To bi bila nova vrsta galaksije, ki je nismo poznali: majhna galaksija z zelo majhno maso, ki je v sebi nekako nabrala veliko prahu, česar običajno ne pričakujemo," je dejal. "Mogoče obstajajo te nove vrste predmetov, ki zmedejo naša iskanja zelo oddaljenih galaksij."

Odmor Lyman

Vsi so vedeli, da bodo najbolj dokončne ocene razdalje zahtevale najmočnejšo zmogljivost JWST.

JWST zvezdne svetlobe ne opazuje samo s fotometrijo ali merjenjem svetlosti, temveč tudi s spektroskopijo ali merjenjem valovnih dolžin svetlobe. Če je fotometrično opazovanje kot slika obraza v množici, potem je spektroskopsko opazovanje kot test DNK, ki lahko pove družinsko zgodovino posameznika. Naidu in drugi, ki so odkrili velike zgodnje galaksije, so izmerili rdeči premik z meritvami, pridobljenimi iz svetlosti - v bistvu so gledali obraze v množici z zelo dobro kamero. Ta metoda še zdaleč ni nepredušna. (Na januarskem srečanju Ameriškega astronomskega društva so se astronomi pošalili, da se bo morda polovica zgodnjih galaksij, opazovanih samo s fotometrijo, izkazala za natančno izmerjene.)

Toda v začetku decembra kozmologi razglasitve da so združili obe metodi za štiri galaksije. Ekipa JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) je iskala galaksije, katerih spekter infrardeče svetlobe se nenadoma prekine pri kritični valovni dolžini, znani kot Lymanov prelom. Do tega preloma pride, ker vodik, ki lebdi v prostoru med galaksijami, absorbira svetlobo. Zaradi nenehnega širjenja vesolja - nenehno naraščajoče rozinove štruce - se svetloba oddaljenih galaksij premakne, zato se premakne tudi valovna dolžina tega nenadnega preloma. Ko se zdi, da svetloba galaksije upada pri daljših valovnih dolžinah, je bolj oddaljena. JADES je identificiral spektre z rdečim premikom do 13.2, kar pomeni, da je bila svetloba galaksije oddana pred 13.4 milijarde let.

Takoj, ko so bili podatki preneseni navzdol, so raziskovalci JADES začeli "noreti" v skupni skupini Slack, glede na Kevin Hainline, astronom na Univerzi v Arizoni. "Bilo je kot 'O moj bog, o moj bog, uspelo nam je, uspelo nam je!'," je dejal. "Ti spektri so le začetek tega, kar mislim, da bo znanost, ki bo spremenila astronomijo."

Brant Robertson, astronom JADES na kalifornijski univerzi v Santa Cruzu, pravi, da ugotovitve kažejo, da se je zgodnje vesolje v svoji prvi milijardi let hitro spreminjalo, pri čemer so se galaksije razvijale 10-krat hitreje kot danes. Podobno je temu, da je »kolibri majhno bitje,« je rekel, »toda njegovo srce bije tako hitro, da živi nekako drugačno življenje kot druga bitja. Srčni utrip teh galaksij se dogaja na veliko hitrejšem časovnem razponu kot nekaj v velikosti Mlečne ceste.«

Toda ali je njihovo srce bilo prehitro, da bi ΛCDM pojasnil?

Teoretične možnosti

Ko so astronomi in javnost strmeli pred slikami JWST, so raziskovalci začeli delati v zakulisju, da bi ugotovili, ali galaksije, ki utripajo v naš pogled, res ovirajo ΛCDM ali le pomagajo določiti številke, ki bi jih morali vključiti v njegove enačbe.

Ena pomembna, a slabo razumljena številka se nanaša na mase najzgodnejših galaksij. Kozmologi skušajo določiti njihove mase, da bi ugotovili, ali se ujemajo s predvideno časovnico rasti galaksij ΛCDM.

Masa galaksije izhaja iz njene svetlosti. Ampak Megan Donahue, astrofizik na državni univerzi Michigan, pravi, da je razmerje med maso in svetlostjo v najboljšem primeru utemeljeno ugibanje, ki temelji na predpostavkah, pridobljenih iz znanih zvezd in dobro raziskanih galaksij.

Ena od ključnih predpostavk je, da zvezde vedno nastanejo znotraj določenega statističnega razpona mas, ki se imenuje funkcija začetne mase (IMF). Ta parameter IMF je ključnega pomena za pridobivanje mase galaksije iz meritev njene svetlosti, ker vroče, modre, težke zvezde proizvajajo več svetlobe, medtem ko je večina mase galaksije običajno zaklenjena v hladnih, rdečih, majhnih zvezdah.

Vendar je možno, da je bil IMF v zgodnjem vesolju drugačen. Če je tako, zgodnje galaksije JWST morda niso tako težke, kot kaže njihova svetlost; lahko so svetle, a svetle. Ta možnost povzroča preglavice, saj bi vam sprememba tega osnovnega vnosa v model ΛCDM lahko dala skoraj vsak odgovor, ki ga želite. Lovell pravi, da nekateri astronomi menijo, da je igranje z Mednarodnim denarnim skladom »domena hudobnih«.

"Če ne razumemo začetne masne funkcije, potem je razumevanje galaksij z velikim rdečim premikom res izziv," je dejal Wendy Freeman, astrofizik na Univerzi v Chicagu. Njena ekipa dela na opazovanjih in računalniških simulacijah, ki bodo pomagale določiti IMF v različnih okoljih.

Med jesenjo so številni strokovnjaki začeli sumiti, da bi prilagoditve IMF in drugih dejavnikov lahko zadostovale za izravnavo osvetlitve zelo starodavnih galaksij na instrumentih JWST z ΛCDM. "Mislim, da je bolj verjetno, da lahko ta opažanja vključimo v standardno paradigmo," je dejal Rachel Somerville, astrofizik na inštitutu Flatiron (ki je tako kot Revija Quanta, financira Simonsova fundacija). V tem primeru je dejala: »Kar se naučimo je: Kako hitro lahko haloji [temne snovi] zbirajo plin? Kako hitro lahko dosežemo, da se plin ohladi in zgosti ter naredi zvezde? Mogoče se to zgodi hitreje v zgodnjem vesolju; morda je plin gostejši; mogoče nekako hitreje teče. Mislim, da se o teh procesih še vedno učimo.”

Somerville preučuje tudi možnost, da so črne luknje posegle v otroški kozmos. Astronomi imajo opazili nekaj žarečih supermasivnih črnih lukenj z rdečim premikom 6 ali 7, približno milijardo let po velikem poku. Težko si je predstavljati, kako so lahko do takrat zvezde nastale, umrle in nato propadle v črne luknje, ki so požrle vse okoli sebe in začele bruhati sevanje.

Toda če so znotraj domnevnih zgodnjih galaksij črne luknje, bi to lahko pojasnilo, zakaj se galaksije zdijo tako svetle, čeprav dejansko niso zelo masivne, je dejal Somerville.

Potrditev, da lahko ΛCDM sprejme vsaj nekaj zgodnjih galaksij JWST, je prispela dan pred božičem. Astronomi pod vodstvom Benjamin Keller na Univerzi v Memphisu preverjeno peščico večjih superračunalniških simulacij vesolj ΛCDM in ugotovil, da lahko simulacije proizvedejo tako težke galaksije kot štiri, ki jih je spektroskopsko preučevala ekipa JADES. (Te štiri so predvsem manjše in zatemnjenejše od drugih domnevnih zgodnjih galaksij, kot je GLASS-z12.) V analizi skupine so vse simulacije dale galaksije velikosti JADES-ovih ugotovitev pri rdečem premiku 10. Ena simulacija bi lahko ustvarila takšne galaksije pri rdečem premiku 13, kar je videl JADES, dve drugi pa bi lahko zgradili galaksiji pri še višjem rdečem premiku. Nobena od galaksij JADES ni bila v napetosti s trenutno paradigmo ΛCDM, so Keller in sodelavci poročali na strežniku za prednatis arxiv.org 24. decembra.

Čeprav nimajo dovolj teže, da bi razbile prevladujoči kozmološki model, imajo galaksije JADES druge posebne značilnosti. Hainline je dejal, da njihove zvezde niso videti onesnažene s kovinami iz predhodno eksplodiranih zvezd. To bi lahko pomenilo, da so zvezde Populacije III – vneto iskana prva generacija zvezd, ki se je kdaj vžgala – in da morda prispevajo k reionizaciji vesolja. Če je to res, potem je JWST že pokukal nazaj v skrivnostno obdobje, ko je bilo vesolje postavljeno na sedanjo pot.

Izredni dokazi

 Spektroskopska potrditev dodatnih zgodnjih galaksij bi lahko prišla to pomlad, odvisno od tega, kako JWST-jev odbor za dodeljevanje časa stvari razdeli. Opazovalna kampanja, imenovana WDEEP, bo posebej iskala galaksije manj kot 300 milijonov let po velikem poku. Ko bodo raziskovalci potrdili več razdalj galaksij in postali boljši pri ocenjevanju njihovih mas, bodo pomagali rešiti usodo ΛCDM.

Potekajo že številna druga opazovanja, ki bi lahko spremenila sliko za ΛCDM. Freedmanova, ki preučuje začetno masno funkcijo, je eno noč vstala ob 1. uri in prenašala podatke JWST o spremenljivih zvezdah, ki jih uporablja kot "standardne sveče" za merjenje razdalj in starosti. Te meritve bi lahko pomagale odpraviti še en potencialni problem z ΛCDM, znan kot Hubblova napetost. Težava je v tem, da se zdi, da se vesolje trenutno širi hitreje, kot napoveduje ΛCDM za 13.8 milijard let staro vesolje. Kozmologi imajo veliko možnih razlag. Morda nekateri kozmologi ugibajo, da gostota temne energije, ki pospešuje širjenje vesolja, ni konstantna, kot pri ΛCDM, ampak se s časom spreminja. Spreminjanje zgodovine širjenja vesolja bi lahko ne samo razrešilo Hubblovo napetost, ampak tudi revidiralo izračune starosti vesolja pri danem rdečem premiku. JWST morda vidi zgodnjo galaksijo, kot se je pojavila, recimo, 500 milijonov let po velikem poku in ne 300 milijonov. Potem bi tudi najtežje domnevne zgodnje galaksije v ogledalih JWST imele dovolj časa, da se združijo, pravi Somerville.

Astronomom zmanjka superlativov, ko govorijo o zgodnjih rezultatih galaksije JWST. Svoje pogovore poprajo s smehom, psovkami in vzkliki, čeprav se spomnijo na pregovor Carla Sagana, čeprav preveč uporabljen, da izjemne trditve zahtevajo izjemne dokaze. Komaj čakajo, da dobijo v roke več slik in spektrov, ki jim bodo pomagali izpiliti ali prilagoditi svoje modele. "To so najboljše težave," je dejal Boylan-Kolchin, "ker ne glede na to, kaj dobite, je odgovor zanimiv."