Standardmodell för kosmologi överlever ett teleskops överraskande fynd

Sprickorna i kosmologin skulle ta ett tag innan de uppstod. Men när James Webb Space Telescope (JWST) öppnade sin lins förra våren lyste extremt avlägsna men ändå mycket ljusa galaxer omedelbart in i teleskopets synfält. "De var bara så dumt ljusa, och de bara stack ut," sa Rohan Naidu, en astronom vid Massachusetts Institute of Technology.

Galaxernas uppenbara avstånd från jorden antydde att de bildades mycket tidigare i universums historia än någon trodde. (Ju längre bort något är, desto längre sedan blossade dess ljus fram.) Tvivel virvlade, men i december bekräftade astronomer att några av galaxerna verkligen är så avlägsna och därför lika primordiala som de verkar. Den tidigaste av dessa bekräftade galaxer kastade sitt ljus 330 miljoner år efter Big Bang, vilket gör den till den nya rekordhållaren för den tidigaste kända strukturen i universum. Den galaxen var ganska mörk, men andra kandidater som var löst kopplade till samma tidsperiod lyste redan starkt, vilket betyder att de var potentiellt enorma.

Hur kunde stjärnor antändas inuti överhettade gasmoln så snart efter Big Bang? Hur kunde de hastigt väva in sig i sådana enorma gravitationsbundna strukturer? Att hitta så stora, ljusa, tidiga galaxer verkar vara som att hitta en fossiliserad kanin i prekambriska skikt. "Det är inga stora saker i tidiga tider. Det tar ett tag att komma till stora saker”, sa Mike Boylan-Kolchin, en teoretisk fysiker vid University of Texas, Austin.

Astronomer började fråga om överflöd av tidiga stora saker trotsar den nuvarande förståelsen av kosmos. Vissa forskare och media hävdade att teleskopets observationer bröt mot standardmodellen för kosmologi - en väl beprövad uppsättning ekvationer som kallas lambda kall mörk materia, eller ΛCDM, modell - och pekar spännande på nya kosmiska ingredienser eller styrande lagar. Det har dock sedan dess blivit tydligt att ΛCDM-modellen är motståndskraftig. Istället för att tvinga forskare att skriva om kosmologins regler, har JWST-fynden fått astronomer att tänka om hur galaxer skapas, särskilt i den kosmiska början. Teleskopet har ännu inte brutit kosmologin, men det betyder inte att fallet med de för tidiga galaxerna kommer att visa sig vara något annat än epokalt.

Enklare tider

För att se varför upptäckten av mycket tidiga, ljusa galaxer är överraskande, hjälper det att förstå vad kosmologer vet - eller tror att de vet - om universum.

Efter Big Bang började spädbarnsuniversum svalna. Inom några miljoner år lade sig den rullande plasman som fyllde rymden ner, och elektroner, protoner och neutroner förenades till atomer, mestadels neutralt väte. Det var tyst och mörkt under en period av osäker varaktighet, känd som den kosmiska mörka tidsåldern. Sedan hände något.

Det mesta av materialet som flög isär efter Big Bang är gjort av något vi inte kan se, kallat mörk materia. Det har utövat ett mäktigt inflytande över kosmos, särskilt i början. I standardbilden slungades kall mörk materia (en term som betyder osynliga, långsamt rörliga partiklar) omkring i kosmos urskillningslöst. I vissa områden var dess utbredning tätare, och i dessa regioner började den kollapsa till klumpar. Synlig materia, vilket betyder atomer, samlas runt klumpar av mörk materia. När atomerna också svalnade kondenserade de så småningom, och de första stjärnorna föddes. Dessa nya strålningskällor laddade om det neutrala väte som fyllde universum under den så kallade återjoniseringsepoken. Genom gravitationen växte större och mer komplexa strukturer och byggde upp ett stort kosmiskt nät av galaxer.

Samtidigt flög allt isär. Astronomen Edwin Hubble kom på på 1920-talet att universum expanderar och i slutet av 1990-talet hittade hans namne, rymdteleskopet Hubble, bevis för att expansionen accelererar. Tänk på universum som en limpa russinbröd. Det börjar som en blandning av mjöl, vatten, jäst och russin. När du kombinerar dessa ingredienser börjar jästen andas och limpan börjar jäsa. Russinen inom den - stand-ins för galaxer - sträcker sig längre isär från varandra när limpan expanderar.

Hubble-teleskopet såg att limpan stiger allt snabbare. Russinen flyger isär i en takt som trotsar deras gravitationella attraktion. Denna acceleration verkar drivas av själva rymdens frånstötande energi - så kallad mörk energi, som representeras av den grekiska bokstaven Λ (uttalas "lambda"). Plugga in värden för Λ, kall mörk materia och vanlig materia och strålning i ekvationerna i Albert Einsteins allmänna relativitetsteori så får du en modell av hur universum utvecklas. Denna modell av "lambda kall mörk materia" (ΛCDM) matchar nästan alla observationer av kosmos.

Ett sätt att testa den här bilden är genom att titta på mycket avlägsna galaxer - motsvarande att se tillbaka i tiden till de första hundra miljoner åren efter den enorma klappen som startade allt. Kosmos var enklare då, dess utveckling lättare att jämföra med förutsägelser.

Astronomer försökte först se de tidigaste strukturerna i universum med hjälp av Hubble-teleskopet 1995. Under 10 dagar fångade Hubble 342 exponeringar av en tom plats i stora kärran. Astronomer var förvånade över det överflöd som gömde sig i det bläckiga mörkret: Hubble kunde se tusentals galaxer på olika avstånd och utvecklingsstadier, som sträckte sig tillbaka till mycket tidigare tider än någon förväntat sig. Hubble skulle fortsätta att hitta några extremt avlägsna galaxer - 2016, astronomer hittade sin mest avlägsna, kallad GN-z11, en svag fläck som de daterade till 400 miljoner år efter Big Bang.

Det var förvånansvärt tidigt för en galax, men det tvivlade inte på ΛCDM-modellen delvis eftersom galaxen är liten, med bara 1 % av Vintergatans massa, och delvis för att den stod ensam. Astronomer behövde ett kraftfullare teleskop för att se om GN-z11 var en udda kula eller en del av en större population av förbryllande tidiga galaxer, vilket kunde hjälpa till att avgöra om vi saknar en avgörande del av ΛCDM-receptet.

Oförklarligt avlägsen

Nästa generations rymdteleskop, uppkallat efter den tidigare NASA-ledaren James Webb, lanserades på juldagen 2021. Så fort JWST kalibrerades droppade ljus från tidiga galaxer in i dess känsliga elektronik. Astronomer publicerade en flod av tidningar som beskrev vad de såg.

Forskare använder en version av Doppler-effekten för att mäta objekts avstånd. Detta liknar att ta reda på platsen för en ambulans baserat på dess siren: Sirenen låter högre i tonläge när den närmar sig och sedan lägre när den drar sig tillbaka. Ju längre bort en galax är, desto snabbare rör sig den bort från oss, så dess ljus sträcker sig till längre våglängder och ser rödare ut. Storleken på denna "rödförskjutning" uttrycks som z, där ett givet värde för z berättar hur länge ett föremåls ljus måste ha färdats för att nå oss.

En av de första tidningarna om JWST kom data från Naidu, MIT-astronomen, och hans kollegor, vars sökalgoritm flaggade en galax som verkade oförklarligt ljus och oförklarligt avlägsen. Naidu döpte den till GLASS-z13, vilket indikerar dess skenbara avstånd vid en rödförskjutning på 13 — längre bort än något tidigare sett. (Galaxens rödförskjutning reviderades senare ned till 12.4, och den döptes om till GLASS-z12.) Andra astronomer som arbetade med de olika uppsättningarna av JWST-observationer rapporterade rödförskjutningsvärden från 11 till 20, inklusive en galax som heter CEERS-1749 eller CR2-z17-1, vars ljus verkar ha lämnat det för 13.7 miljarder år sedan, bara 220 miljoner år efter Big Bang - knappt en ögonblick efter början av kosmisk tid.

Dessa förmodade upptäckter antydde att den snygga historien som kallas ΛCDM kan vara ofullständig. På något sätt växte galaxerna stora direkt. "I det tidiga universum förväntar du dig inte att se massiva galaxer. De har inte hunnit bilda så många stjärnor, och de har inte smält samman, säger Chris Lovell, astrofysiker vid University of Portsmouth i England. Verkligen i en studie publicerad i november analyserade forskare datorsimuleringar av universum som styrs av ΛCDM-modellen och fann att JWST:s tidiga, ljusa galaxer var en storleksordning tyngre än de som bildades samtidigt i simuleringarna.

Vissa astronomer och medier hävdade att JWST bröt kosmologin, men alla var inte övertygade. Ett problem är att ΛCDM:s förutsägelser inte alltid är entydiga. Även om mörk materia och mörk energi är enkla, har synlig materia komplexa interaktioner och beteenden, och ingen vet exakt vad som hände under de första åren efter Big Bang; dessa frenetiska tidiga tider måste approximeras i datorsimuleringar. Det andra problemet är att det är svårt att säga exakt hur långt borta galaxer är.

Under månaderna sedan de första tidningarna har åldrarna för några av de påstådda högrödskiftade galaxerna omprövats. Någon stans Demoted till senare stadier av kosmisk evolution på grund av uppdaterade teleskopkalibreringar. CEERS-1749 finns i ett område på himlen som innehåller ett kluster av galaxer vars ljus sänds ut för 12.4 miljarder år sedan, och Naidu säger att det är möjligt att galaxen faktiskt är en del av detta kluster - en närmare inkräktar som kan vara fylld med damm som gör den verkar mer rödförskjuten än den är. Enligt Naidu är CEERS-1749 konstigt hur långt bort det än är. "Det skulle vara en ny typ av galax som vi inte kände till: en mycket låg massa, liten galax som på något sätt har byggt upp mycket damm i den, vilket är något vi traditionellt inte förväntar oss," sa han. "Det kan bara vara dessa nya typer av objekt som förvirrar våra sökningar efter de mycket avlägsna galaxerna."

The Lyman Break

Alla visste att de mest definitiva avståndsuppskattningarna skulle kräva JWST:s mest kraftfulla kapacitet.

JWST observerar inte bara stjärnljus genom fotometri, eller mätning av ljusstyrka, utan också genom spektroskopi, eller mätning av ljusets våglängder. Om en fotometrisk observation är som en bild av ett ansikte i en folkmassa, då är en spektroskopisk observation som ett DNA-test som kan berätta en individs familjehistoria. Naidu och andra som hittade stora tidiga galaxer mätte rödförskjutning med hjälp av ljusstyrka-härledda mätningar - i huvudsak tittade på ansikten i folkmassan med en riktigt bra kamera. Den metoden är långt ifrån lufttät. (Vid ett möte i American Astronomical Society i januari sa astronomer att kanske hälften av de tidiga galaxerna som observerats med enbart fotometri kommer att visa sig vara exakt uppmätta.)

Men i början av december, kosmologer meddelade att de hade kombinerat båda metoderna för fyra galaxer. JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)-teamet sökte efter galaxer vars infraröda ljusspektrum plötsligt skär av vid en kritisk våglängd som kallas Lyman-brytningen. Detta avbrott uppstår eftersom väte som flyter i utrymmet mellan galaxer absorberar ljus. På grund av den fortsatta expansionen av universum – det ständigt stigande russinlimpan – förskjuts ljuset från avlägsna galaxer, så våglängden på det abrupta avbrottet ändras också. När en galaxs ljus tycks falla av vid längre våglängder är det mer avlägset. JADES identifierade spektra med rödförskjutningar upp till 13.2, vilket betyder att galaxens ljus sänds ut för 13.4 miljarder år sedan.

Så fort data nedlänkades började JADES-forskare "flippa ut" i en delad Slack-grupp, enligt Kevin Hainline, en astronom vid University of Arizona. "Det var som, 'Herregud, herregud, vi gjorde det vi gjorde det vi gjorde det!'" sa han. "Dessa spektra är bara början på vad jag tror kommer att bli astronomiförändrande vetenskap."

Brant Robertson, en JADES-astronom vid University of California, Santa Cruz, säger att resultaten visar att det tidiga universum förändrades snabbt under sina första miljarder år, med galaxer som utvecklades 10 gånger snabbare än de gör idag. Det liknar hur "en kolibri är en liten varelse", sa han, "men dess hjärta slår så snabbt att den lever ett helt annat liv än andra varelser. Dessa galaxers hjärtslag sker på en mycket snabbare tidsskala än något som är lika stort som Vintergatan."

Men slog deras hjärtan för snabbt för att ΛCDM skulle kunna förklara?

Teoretiska möjligheter

När astronomer och allmänheten gapade över JWST-bilder, började forskare arbeta bakom kulisserna för att avgöra om de galaxer som blinkade in i vår syn verkligen upphäver ΛCDM eller bara hjälpa till att spika upp siffrorna som vi borde koppla in i dess ekvationer.

En viktig men dåligt förstådd siffra gäller massorna av de tidigaste galaxerna. Kosmologer försöker bestämma deras massor för att avgöra om de matchar ΛCDM:s förutspådda tidslinje för galaxtillväxt.

En galax massa härleds från dess ljusstyrka. Men Megan Donahue, en astrofysiker vid Michigan State University, säger att förhållandet mellan massa och ljusstyrka i bästa fall är en välgrundad gissning, baserad på antaganden från kända stjärnor och välstuderade galaxer.

Ett centralt antagande är att stjärnor alltid bildas inom ett visst statistiskt intervall av massor, kallat initial mass function (IMF). Denna IMF-parameter är avgörande för att ta fram en galax massa från mätningar av dess ljusstyrka, eftersom heta, blåa, tunga stjärnor producerar mer ljus, medan majoriteten av en galaxs massa vanligtvis är inlåst i svala, röda, små stjärnor.

Men det är möjligt att IMF var annorlunda i det tidiga universum. Om så är fallet kanske JWST:s tidiga galaxer inte är så tunga som deras ljusstyrka antyder; de kan vara ljusa men lätta. Denna möjlighet orsakar huvudvärk, eftersom att ändra denna grundläggande ingång till ΛCDM-modellen kan ge dig nästan vilket svar du vill. Lovell säger att vissa astronomer överväger att pilla med IMF "de ondas domän."

"Om vi ​​inte förstår den initiala massfunktionen så är det verkligen en utmaning att förstå galaxer vid hög rödförskjutning," sa Wendy Freeman, en astrofysiker vid University of Chicago. Hennes team arbetar med observationer och datorsimuleringar som kommer att hjälpa till att fastställa IMF i olika miljöer.

Under höstens lopp kom många experter att misstänka att justeringar av IMF och andra faktorer kunde räcka för att kvadrera den mycket urgamla galaxen som tänds på JWST:s instrument med ΛCDM. "Jag tror att det faktiskt är mer troligt att vi kan ta emot dessa observationer inom standardparadigmet," sa Rachel Somerville, en astrofysiker vid Flatiron Institute (som, typ Quanta Magazine, finansieras av Simons Foundation). I det fallet sa hon, "vad vi lär oss är: Hur snabbt kan [mörk materia] halos samla gasen? Hur snabbt kan vi få gasen att svalna och bli tät, och göra stjärnor? Kanske händer det snabbare i det tidiga universum; kanske är gasen tätare; kanske på något sätt rinner det in snabbare. Jag tror att vi fortfarande lär oss om de processerna.”

Somerville studerar också möjligheten att svarta hål stör babykosmos. Astronomer har lade märke till några glödande supermassiva svarta hål vid en rödförskjutning på 6 eller 7, ungefär en miljard år efter Big Bang. Det är svårt att föreställa sig hur stjärnor vid den tiden kunde ha bildats, dött och sedan kollapsat till svarta hål som åt upp allt som omgav dem och började spy ut strålning.

Men om det finns svarta hål inuti de förmodade tidiga galaxerna, kan det förklara varför galaxerna verkar så ljusa, även om de faktiskt inte är särskilt massiva, sa Somerville.

Bekräftelsen på att ΛCDM kan ta emot åtminstone några av JWST:s tidiga galaxer kom dagen före jul. Astronomer ledda av Benjamin Keller vid University of Memphis kontrollerade en handfull stora superdatorsimuleringar av ΛCDM-universum och fann att simuleringarna kunde producera galaxer lika tunga som de fyra som studerades spektroskopiskt av JADES-teamet. (Dessa fyra är framför allt mindre och svagare än andra påstådda tidiga galaxer som GLASS-z12.) I teamets analys gav alla simuleringar galaxer lika stor som JADES-fynden vid en rödförskjutning av 10. En simulering skulle kunna skapa sådana galaxer vid en rödförskjutning på 13, samma som vad JADES såg, och två andra kunde bygga galaxerna med en ännu högre rödförskjutning. Ingen av JADES-galaxerna var i spänning med det nuvarande ΛCDM-paradigmet, rapporterade Keller och kollegor på preprint-servern arxiv.org den 24 december.

Även om de saknar kraften för att bryta den rådande kosmologiska modellen, har JADES-galaxerna andra speciella egenskaper. Hainline sa att deras stjärnor verkar oförorenade av metaller från tidigare exploderade stjärnor. Detta kan betyda att de är Population III-stjärnor - den ivrig eftertraktade första generationen stjärnor som någonsin antänds - och att de kan bidra till återjoniseringen av universum. Om detta är sant, så har JWST redan kikt tillbaka till den mystiska perioden då universum sattes på sin nuvarande kurs.

Extraordinära bevis

 Spektroskopisk bekräftelse av ytterligare tidiga galaxer kan komma i vår, beroende på hur JWST:s tidsfördelningskommitté delar upp saker och ting. En observationskampanj kallad WDEEP kommer specifikt att söka efter galaxer från mindre än 300 miljoner år efter Big Bang. När forskare bekräftar fler galaxers avstånd och blir bättre på att uppskatta deras massor, kommer de att hjälpa till att avgöra ΛCDM:s öde.

Många andra observationer är redan på gång som kan förändra bilden för ΛCDM. Freedman, som studerar den initiala massfunktionen, var uppe klockan 1 en natt och laddade ner JWST-data om variabla stjärnor som hon använder som "standardljus" för att mäta avstånd och åldrar. Dessa mätningar kan hjälpa till att skaka ut ett annat potentiellt problem med ΛCDM, känd som Hubble-spänningen. Problemet är att universum för närvarande verkar expandera snabbare än ΛCDM förutspår för ett 13.8 miljarder år gammalt universum. Kosmologer har många möjliga förklaringar. Kanske, spekulerar vissa kosmologer, är tätheten hos den mörka energin som accelererar universums expansion inte konstant, som i ΛCDM, utan förändras över tiden. Att ändra universums expansionshistorik kan inte bara lösa Hubble-spänningen utan också revidera beräkningar av universums ålder vid en given rödförskjutning. JWST kanske ser en tidig galax som den såg ut, säg, 500 miljoner år efter Big Bang snarare än 300 miljoner. Då skulle även de tyngsta förmodade tidiga galaxerna i JWST:s speglar ha haft gott om tid att smälta samman, säger Somerville.

Astronomer får slut på superlativ när de pratar om JWST:s tidiga galaxresultat. De peppar sina samtal med skratt, utrop och utrop, även när de påminner sig själva om Carl Sagans ordspråk, hur överanvänt det än är, att extraordinära påståenden kräver extraordinära bevis. De kan inte vänta med att få tag på fler bilder och spektra, vilket kommer att hjälpa dem att finslipa eller finjustera sina modeller. "Det är de bästa problemen", sa Boylan-Kolchin, "för oavsett vad du får är svaret intressant."