แบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยารอดพ้นจากการค้นพบที่น่าประหลาดใจของกล้องโทรทรรศน์

รอยแยกในจักรวาลวิทยาน่าจะใช้เวลาสักพักจึงจะปรากฏขึ้น แต่เมื่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) เปิดเลนส์เมื่อฤดูใบไม้ผลิที่แล้ว กาแลคซีที่อยู่ห่างไกลมากแต่สว่างมากก็ส่องเข้ามาในขอบเขตการมองเห็นของกล้องโทรทรรศน์ทันที “พวกมันดูสดใสแบบโง่ๆ และพวกมันก็โดดเด่น” กล่าว โรฮาน ไนดูนักดาราศาสตร์แห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์

ระยะทางที่มองเห็นได้ของกาแลคซีจากโลกบ่งชี้ว่ากาแลคซีก่อตัวขึ้นเร็วกว่าที่ใครๆ คาดการณ์ไว้ในประวัติศาสตร์ของเอกภพ (ยิ่งมีบางสิ่งที่อยู่ไกลออกไป ยิ่งนานก่อนที่แสงจะส่องประกายออกมา) ความสงสัยต่างๆ นานาทวีขึ้น แต่ในเดือนธันวาคม นักดาราศาสตร์ยืนยันว่ากาแล็กซีบางแห่งอยู่ไกลพอๆ กัน และด้วยเหตุนี้จึงเป็นเสมือนยุคดึกดำบรรพ์อย่างที่เห็น กาแล็กซีแรกสุดที่ได้รับการยืนยันเหล่านี้ได้เปล่งแสงหลังจากบิกแบง 330 ล้านปี ทำให้กลายเป็นเจ้าของสถิติใหม่สำหรับโครงสร้างที่รู้จักเร็วที่สุดในเอกภพ กาแล็กซีนั้นค่อนข้างมืดสลัว แต่วัตถุอื่นๆ ที่ถูกตรึงไว้อย่างหลวมๆ ให้อยู่ในช่วงเวลาเดียวกันนั้นกำลังส่องแสงอยู่แล้ว ซึ่งหมายความว่าพวกมันอาจมีขนาดมหึมา

ดวงดาวจะจุดประกายภายในเมฆก๊าซที่ร้อนยวดยิ่งได้อย่างไรหลังจากบิกแบงไม่นานนัก? พวกเขาจะสานตัวเองอย่างเร่งรีบเข้าไปในโครงสร้างที่มีแรงดึงดูดมหาศาลได้อย่างไร? การค้นหากาแลคซีในยุคแรกเริ่มที่ใหญ่และสว่างนั้นดูเหมือนคล้ายกับการพบกระต่ายที่กลายเป็นฟอสซิลในชั้นพรีแคมเบรียน “ไม่มีสิ่งที่ยิ่งใหญ่ในช่วงแรกๆ ต้องใช้เวลาสักครู่เพื่อไปสู่สิ่งที่ยิ่งใหญ่” กล่าว ไมค์ บอยแลน-โคลชินนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยเทกซัส ออสติน

นักดาราศาสตร์เริ่มตั้งคำถามว่าสิ่งที่ยิ่งใหญ่ในยุคแรก ๆ มากมายท้าทายความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับเอกภพหรือไม่ นักวิจัยและสื่อบางคนอ้างว่าการสังเกตการณ์ของกล้องโทรทรรศน์กำลังทำลายแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยา ซึ่งเป็นชุดสมการที่ผ่านการทดสอบอย่างดีซึ่งเรียกว่าสสารมืดเย็นแลมบ์ดาหรือแบบจำลอง ΛCDM ซึ่งชี้ไปที่ส่วนผสมใหม่ของจักรวาลหรือกฎหมายที่ควบคุมอย่างน่าตื่นเต้น อย่างไรก็ตาม เป็นที่ชัดเจนว่าโมเดล ΛCDM มีความยืดหยุ่น แทนที่จะบังคับให้นักวิจัยเขียนกฎของจักรวาลวิทยาใหม่ การค้นพบของ JWST ทำให้นักดาราศาสตร์คิดใหม่ว่าดาราจักรเกิดขึ้นได้อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงเริ่มต้นของจักรวาล กล้องโทรทรรศน์ยังไม่ได้ทำลายจักรวาลวิทยา แต่นั่นไม่ได้หมายความว่ากรณีของกาแลคซีที่เร็วเกินไปจะกลายเป็นอย่างอื่นนอกจากยุค

เวลาที่เรียบง่าย

หากต้องการทราบว่าเหตุใดการตรวจพบกาแลคซีที่สว่างไสวตั้งแต่เนิ่นๆ จึงเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ การทำความเข้าใจว่านักจักรวาลวิทยารู้หรือคิดว่าพวกเขารู้อะไรเกี่ยวกับจักรวาลบ้างจะช่วยให้เข้าใจได้

หลังจากบิกแบง เอกภพทารกเริ่มเย็นลง ภายในเวลาไม่กี่ล้านปี พลาสมาที่ลอยอยู่เต็มพื้นที่ก็ตกลง และอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนรวมกันเป็นอะตอม ซึ่งส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจนที่เป็นกลาง สิ่งต่าง ๆ เงียบและมืดเป็นระยะเวลาที่ไม่แน่นอนซึ่งเรียกว่ายุคมืดของจักรวาล แล้วมีบางอย่างเกิดขึ้น

สสารส่วนใหญ่ที่แตกสลายหลังจากบิ๊กแบงเกิดจากสิ่งที่เรามองไม่เห็นเรียกว่าสสารมืด มันมีอิทธิพลอย่างมากเหนือจักรวาลโดยเฉพาะอย่างยิ่งในตอนแรก ในภาพมาตรฐาน สสารมืดเย็น (คำที่หมายถึงอนุภาคที่มองไม่เห็นและเคลื่อนที่ช้า) ถูกเหวี่ยงไปรอบๆ จักรวาลอย่างไม่เลือกหน้า ในบางพื้นที่มีการกระจายหนาแน่นขึ้น และในพื้นที่เหล่านี้ก็เริ่มยุบตัวเป็นกระจุก สสารที่มองเห็นได้ หมายถึง อะตอมที่เกาะกลุ่มกันเป็นก้อนของสสารมืด เมื่ออะตอมเย็นลงเช่นกัน ในที่สุดพวกมันก็ควบแน่น และเกิดดาวฤกษ์ดวงแรกขึ้น แหล่งที่มาของรังสีใหม่เหล่านี้เติมประจุไฮโดรเจนที่เป็นกลางซึ่งเต็มจักรวาลในช่วงเวลาที่เรียกว่ายุครีไอออนไนซ์ ด้วยแรงโน้มถ่วง โครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นและซับซ้อนมากขึ้นก็ขยายใหญ่ขึ้น สร้างเครือข่ายจักรวาลอันกว้างใหญ่ของกาแลคซี

ในขณะเดียวกัน ทุกอย่างก็แยกย้ายกันไป นักดาราศาสตร์ Edwin Hubble ค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวในทศวรรษที่ 1920 และในช่วงปลายทศวรรษ 1990 กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลที่มีชื่อเดียวกับเขา พบหลักฐานว่าการขยายตัวกำลังเร่งขึ้น คิดว่าจักรวาลเป็นก้อนขนมปังลูกเกด เริ่มต้นจากส่วนผสมของแป้ง น้ำ ยีสต์ และลูกเกด เมื่อคุณรวมส่วนผสมเหล่านี้เข้าด้วยกัน ยีสต์จะเริ่มหายใจและก้อนขนมปังจะเริ่มขึ้น ลูกเกดในนั้น - ตัวแทนของกาแลคซี - ยืดออกจากกันมากขึ้นเมื่อก้อนขยายตัว

กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลเห็นว่าก้อนขนมปังกำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ลูกเกดกำลังบินออกจากกันในอัตราที่ท้าทายแรงดึงดูดของพวกมัน ความเร่งนี้ดูเหมือนจะถูกขับเคลื่อนโดยพลังงานที่น่ารังเกียจของอวกาศเอง ซึ่งเรียกว่าพลังงานมืด ซึ่งแทนด้วยตัวอักษรกรีก Λ (ออกเสียงว่า “แลมบ์ดา”) ใส่ค่าของ Λ สสารมืดเย็น สสารปกติและการแผ่รังสีลงในสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ แล้วคุณจะได้แบบจำลองว่าเอกภพมีวิวัฒนาการอย่างไร แบบจำลอง "สสารมืดเย็นแลมบ์ดา" (ΛCDM) นี้ตรงกับการสังเกตเกือบทั้งหมดของจักรวาล

วิธีหนึ่งในการทดสอบภาพนี้คือการดูกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลมาก เทียบเท่ากับการย้อนเวลากลับไปเมื่อไม่กี่ร้อยล้านปีแรกหลังจากการปรบมือครั้งใหญ่ที่เริ่มต้นทั้งหมด จักรวาลนั้นเรียบง่ายกว่านั้น วิวัฒนาการของมันง่ายกว่าที่จะเปรียบเทียบกับการทำนาย

นักดาราศาสตร์พยายามดูโครงสร้างแรกสุดของเอกภพโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลเป็นครั้งแรกในปี 1995 กว่า 10 วัน ฮับเบิลจับภาพพื้นที่ว่างที่ดูว่างเปล่าใน Big Dipper ได้ 342 ครั้ง นักดาราศาสตร์ประหลาดใจกับความอุดมสมบูรณ์ที่ซ่อนตัวอยู่ในความมืดมิด: ฮับเบิลสามารถเห็นกาแลคซีนับพันแห่งในระยะทางและระยะการพัฒนาต่างๆ กัน ย้อนไปถึงช่วงเวลาก่อนหน้านี้กว่าที่ใครๆ คาดคิด ฮับเบิลจะค้นหากาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปอีกจำนวนหนึ่งในปี 2016 นักดาราศาสตร์ พบอันไกลโพ้นที่สุดเรียกว่า GN-z11 ซึ่งเป็นรอยเปื้อนจางๆ ที่มีอายุ 400 ล้านปีหลังจากบิกแบง

นั่นเป็นจุดเริ่มต้นที่น่าแปลกใจสำหรับกาแลคซี แต่ก็ไม่ได้ทำให้สงสัยในแบบจำลอง ΛCDM ส่วนหนึ่งเป็นเพราะกาแลคซีมีขนาดเล็ก มีมวลเพียง 1% ของทางช้างเผือก และส่วนหนึ่งเป็นเพราะกาแล็กซีตั้งอยู่อย่างโดดเดี่ยว นักดาราศาสตร์ต้องการกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังกว่านี้เพื่อดูว่า GN-z11 เป็นลูกคี่หรือเป็นส่วนหนึ่งของกาแล็กซียุคแรกๆ ที่น่างงงวยจำนวนมากกว่า ซึ่งสามารถช่วยระบุได้ว่าเราขาดส่วนสำคัญของสูตร ΛCDM หรือไม่

ไกลเกินเอื้อม

กล้องโทรทรรศน์อวกาศยุคหน้านั้น ตั้งชื่อตามเจมส์ เว็บบ์ อดีตผู้นำองค์การนาซ่า เปิดตัวในวันคริสต์มาสปี 2021. ทันทีที่ปรับเทียบ JWST แสงจากกาแลคซียุคแรกจะหยดลงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไว นักดาราศาสตร์ตีพิมพ์เอกสารมากมายที่อธิบายสิ่งที่พวกเขาเห็น

นักวิจัยใช้เอฟเฟกต์ Doppler รุ่นหนึ่งเพื่อวัดระยะทางของวัตถุ สิ่งนี้คล้ายกับการหาตำแหน่งของรถพยาบาลโดยอิงตามเสียงไซเรน: เสียงไซเรนจะดังขึ้นในระดับเสียงสูงเมื่อรถเข้ามาใกล้ และจากนั้นจะลดระดับลงเมื่อรถถอยห่างออกไป ยิ่งกาแล็กซีอยู่ไกลออกไปมากเท่าไหร่ กาแล็กซีก็ยิ่งเคลื่อนออกจากเราเร็วขึ้นเท่านั้น ดังนั้นแสงของกาแล็กซีจึงขยายออกไปเป็นความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นและปรากฏเป็นสีแดงมากขึ้น ขนาดของ "redshift" นี้แสดงเป็น zโดยที่ค่าที่กำหนดสำหรับ z บอกคุณว่าแสงของวัตถุต้องเดินทางนานแค่ไหนจึงจะมาถึงเรา

หนึ่งในกระดาษแผ่นแรก ข้อมูล JWST มาจาก Naidu นักดาราศาสตร์ MIT และเพื่อนร่วมงานของเขา ซึ่งอัลกอริธึมการค้นหาได้ทำเครื่องหมายดาราจักรที่ดูเหมือนสว่างอย่างอธิบายไม่ได้และอยู่ห่างไกลอย่างอธิบายไม่ได้ Naidu ขนานนามมันว่า GLASS-z13 โดยระบุระยะที่มองเห็นได้ด้วยการเลื่อนสีแดงที่ 13 — ไกลกว่าที่เคยเห็นมาก่อน (การเลื่อนเรดชิฟต์ของกาแล็กซีในภายหลังถูกแก้ไขเป็น 12.4 และเปลี่ยนชื่อเป็น GLASS-z12) นักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ที่ทำงานในชุดสังเกตการณ์ JWST ต่างๆ รายงานค่าเรดชิฟต์จาก 11 ถึง 20 รวมถึง กาแล็กซีหนึ่งเรียกว่า CEERS-1749 หรือ CR2-z17-1 ซึ่งดูเหมือนว่าแสงได้หายไปเมื่อ 13.7 ล้านปีที่แล้ว หรือเพียง 220 ล้านปีหลังจากบิกแบง — แทบไม่ได้กระพริบตาหลังจากเริ่มเวลาจักรวาล

การตรวจจับเชิงสมมุติเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าเรื่องราวที่ประณีตที่เรียกว่า ΛCDM อาจไม่สมบูรณ์ อย่างใดกาแลคซีก็ขยายใหญ่ขึ้นทันที “ในเอกภพยุคแรก คุณไม่คาดคิดว่าจะเห็นกาแล็กซีขนาดใหญ่ พวกมันไม่มีเวลาก่อตัวเป็นดาวจำนวนมากขนาดนั้น และพวกมันไม่ได้รวมตัวกัน” คริส โลเวลล์ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยพอร์ตสมัธในอังกฤษกล่าว แท้จริงแล้วใน เรียน เผยแพร่ในเดือนพฤศจิกายน นักวิจัยวิเคราะห์การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของเอกภพที่ควบคุมโดยแบบจำลอง ΛCDM และพบว่ากาแลคซีสว่างในยุคแรกๆ ของ JWST มีลำดับความสำคัญหนักกว่าดาราจักรที่ก่อตัวขึ้นพร้อมๆ กันในการจำลอง

นักดาราศาสตร์และสื่อบางสำนักอ้างว่า JWST กำลังทำลายจักรวาลวิทยา แต่ไม่ใช่ทุกคนที่เชื่อ ปัญหาหนึ่งคือการคาดการณ์ของ ΛCDM ไม่ชัดเจนเสมอไป แม้ว่าสสารมืดและพลังงานมืดจะดูเรียบง่าย แต่สสารที่มองเห็นก็มีปฏิสัมพันธ์และพฤติกรรมที่ซับซ้อน และไม่มีใครรู้แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นในปีแรกหลังบิกแบง ช่วงเวลาแรกๆ ที่เร่งรีบเหล่านั้นจะต้องถูกประมาณในการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ปัญหาอีกประการหนึ่งคือเป็นการยากที่จะบอกได้อย่างแน่ชัดว่ากาแลคซีอยู่ไกลแค่ไหน

ในช่วงหลายเดือนนับตั้งแต่เอกสารฉบับแรก อายุของกาแลคซีที่มีการเลื่อนสีแดงสูงบางแห่งได้ถูกพิจารณาใหม่ บางคนก็ ลด ไปจนถึงขั้นต่อมาของวิวัฒนาการของจักรวาล เนื่องจากการปรับเทียบกล้องโทรทรรศน์ที่ได้รับการปรับปรุงใหม่ CEERS-1749 ถูกพบในบริเวณท้องฟ้าที่มีกระจุกดาราจักรซึ่งแสงถูกเปล่งออกมาเมื่อ 12.4 พันล้านปีก่อน และ Naidu กล่าวว่าเป็นไปได้ที่ดาราจักรจะเป็นส่วนหนึ่งของกระจุกดาราจักรนี้จริง ๆ ซึ่งเป็น interloper ที่อยู่ใกล้กว่าซึ่งอาจเต็มไปด้วยฝุ่นที่ทำให้ มันดูเปลี่ยนเป็นสีแดงมากกว่าที่เป็นอยู่ จากข้อมูลของไนดู CEERS-1749 นั้นแปลกไม่ว่าจะอยู่ไกลแค่ไหนก็ตาม “มันจะเป็นกาแล็กซีประเภทใหม่ที่เราไม่รู้จัก กาแล็กซีขนาดเล็กที่มีมวลต่ำมากซึ่งมีฝุ่นจำนวนมากอยู่ในนั้น ซึ่งเป็นสิ่งที่เราคาดไม่ถึงตามธรรมเนียม” เขากล่าว “อาจมีวัตถุชนิดใหม่ๆ ที่ทำให้การค้นหากาแลคซีไกลโพ้นของเราสับสน”

เดอะลายแมนเบรก

ทุกคนรู้ว่าการประมาณระยะทางที่ชัดเจนที่สุดนั้นต้องใช้ความสามารถที่ทรงพลังที่สุดของ JWST

JWST ไม่เพียงแต่สังเกตแสงดาวผ่านโฟโตเมทรีหรือการวัดความสว่างเท่านั้น แต่ยังสังเกตผ่านสเปกโทรสโกปีหรือการวัดความยาวคลื่นของแสงด้วย หากการสังเกตด้วยโฟโตเมตริกเป็นเหมือนภาพใบหน้าในฝูงชน การสังเกตด้วยสเปกโทรสโกปีก็เหมือนกับการตรวจดีเอ็นเอที่สามารถบอกประวัติครอบครัวของแต่ละคนได้ Naidu และคนอื่นๆ ที่ค้นพบกาแลคซียุคแรกๆ ขนาดใหญ่ วัดค่าเรดชิฟต์โดยใช้การวัดที่ได้มาจากความสว่าง โดยพื้นฐานแล้วเป็นการดูที่ใบหน้าของฝูงชนโดยใช้กล้องที่ดีจริงๆ วิธีการนั้นยังห่างไกลจากอากาศถ่ายเท (ในการประชุมของ American Astronomical Society ในเดือนมกราคม นักดาราศาสตร์แย้งว่าบางทีครึ่งหนึ่งของกาแลคซียุคแรก ๆ ที่สังเกตด้วยโฟโตเมทรีเพียงอย่างเดียวจะวัดได้อย่างแม่นยำ)

แต่ในช่วงต้นเดือนธันวาคม นักจักรวาลวิทยา ประกาศ ที่พวกเขาได้รวมทั้งสองวิธีสำหรับสี่กาแลคซี ทีม JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) ค้นหากาแลคซีที่สเปกตรัมแสงอินฟราเรดถูกตัดออกอย่างกะทันหันที่ความยาวคลื่นวิกฤติที่เรียกว่าการแตกลายแมน การแตกนี้เกิดขึ้นเนื่องจากไฮโดรเจนที่ลอยอยู่ในช่องว่างระหว่างกาแลคซีดูดซับแสง เนื่องจากการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของเอกภพ - ก้อนลูกเกดที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ - แสงของกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลจึงเปลี่ยนไป ดังนั้นความยาวคลื่นของการแตกอย่างกระทันหันจึงเปลี่ยนไปด้วย เมื่อแสงของดาราจักรลดลงที่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น แสดงว่าแสงนั้นอยู่ไกลออกไปมากขึ้น JADES ระบุสเปกตรัมด้วยการเลื่อนสีแดงถึง 13.2 ซึ่งหมายความว่าแสงของกาแลคซีถูกปล่อยออกมาเมื่อ 13.4 พันล้านปีก่อน

ทันทีที่ข้อมูลถูกดาวน์ลิงก์ นักวิจัยของ JADES ก็เริ่ม "คลั่งไคล้" ในกลุ่ม Slack ที่ใช้ร่วมกัน เควิน เฮนไลน์นักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแอริโซนา “มันเหมือนกับว่า 'โอ้พระเจ้า เราทำสำเร็จแล้ว เราทำสำเร็จแล้ว!'” เขากล่าว “สเปกตรัมเหล่านี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของสิ่งที่ฉันคิดว่าจะเป็นวิทยาศาสตร์ที่เปลี่ยนแปลงทางดาราศาสตร์”

แบรนท์ โรเบิร์ตสันนักดาราศาสตร์ JADES จาก University of California, Santa Cruz กล่าวว่า การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่าเอกภพยุคแรกเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในช่วงพันล้านปีแรก โดยกาแลคซีมีวิวัฒนาการเร็วกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบันถึง 10 เท่า มันคล้ายกับการที่ “นกฮัมมิ่งเบิร์ดเป็นสัตว์ตัวเล็กๆ” เขากล่าว “แต่หัวใจของมันเต้นเร็วมากจนมันมีชีวิตที่แตกต่างจากสิ่งมีชีวิตอื่นๆ การเต้นของหัวใจของกาแลคซีเหล่านี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่รวดเร็วกว่าสิ่งที่มีขนาดเท่าทางช้างเผือก”

แต่หัวใจของพวกเขาเต้นเร็วเกินกว่าที่ ΛCDM จะอธิบายได้หรือไม่?

ความเป็นไปได้ทางทฤษฎี

ในขณะที่นักดาราศาสตร์และสาธารณชนต่างอ้าปากค้างที่ภาพ JWST นักวิจัยเริ่มทำงานเบื้องหลังเพื่อตรวจสอบว่ากาแลคซีที่กระพริบตาในมุมมองของเราจริง ๆ แล้วยกระดับ ΛCDM หรือเพียงแค่ช่วยระบุตัวเลขที่เราควรใส่ลงในสมการของมัน

ตัวเลขที่สำคัญแต่ยังเข้าใจได้ไม่ดีเกี่ยวกับมวลของกาแลคซียุคแรกสุด นักจักรวาลวิทยาพยายามกำหนดมวลของพวกมันเพื่อที่จะบอกว่าพวกมันตรงกับไทม์ไลน์การเติบโตของดาราจักรที่ทำนายไว้ของ ΛCDM หรือไม่

มวลของดาราจักรมาจากความสว่างของมัน แต่ เมแกน โดนาฮิวนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยมิชิแกนสเตทกล่าวว่า ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและความสว่างเป็นสิ่งที่คาดเดาอย่างมีการศึกษา โดยยึดตามสมมติฐานที่รวบรวมจากดาวที่รู้จักและดาราจักรที่ได้รับการศึกษามาเป็นอย่างดี

สมมติฐานหลักประการหนึ่งคือดาวฤกษ์มักก่อตัวขึ้นภายในช่วงมวลทางสถิติที่กำหนด ซึ่งเรียกว่าฟังก์ชันมวลเริ่มต้น (IMF) พารามิเตอร์ IMF นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรวบรวมมวลของกาแลคซีจากการวัดความสว่าง เนื่องจากดาวฤกษ์ที่ร้อน สีน้ำเงิน และหนักจะให้แสงสว่างมากกว่า ในขณะที่มวลส่วนใหญ่ของกาแลคซีมักถูกขังอยู่ในดาวฤกษ์ขนาดเล็กสีแดงเย็น

แต่เป็นไปได้ว่า IMF นั้นแตกต่างออกไปในเอกภพยุคแรก ถ้าเป็นเช่นนั้น กาแล็กซีในยุคแรกๆ ของ JWST อาจไม่หนักเท่ากับความสว่างของมัน อาจสว่างแต่เบา ความเป็นไปได้นี้ทำให้เกิดอาการปวดหัว เพราะการเปลี่ยนอินพุตพื้นฐานนี้เป็นโมเดล ΛCDM สามารถให้คำตอบที่คุณต้องการได้เกือบทุกข้อ Lovell กล่าวว่านักดาราศาสตร์บางคนคิดว่า IMF เป็น "โดเมนของคนชั่วร้าย"

“ถ้าเราไม่เข้าใจฟังก์ชันมวลตั้งต้น การเข้าใจกาแลคซีที่ค่าเรดชิฟต์สูงเป็นสิ่งที่ท้าทายจริงๆ” เวนดี้ ฟรีแมนนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโก ทีมงานของเธอกำลังทำงานเกี่ยวกับการสังเกตการณ์และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ซึ่งจะช่วยตรึง IMF ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

ในช่วงฤดูใบไม้ร่วง ผู้เชี่ยวชาญหลายคนสงสัยว่าการปรับแต่ง IMF และปัจจัยอื่น ๆ อาจเพียงพอที่จะทำให้กาแลคซีโบราณที่ส่องสว่างบนเครื่องมือของ JWST ด้วย ΛCDM “ฉันคิดว่าจริง ๆ แล้วมีความเป็นไปได้มากกว่าที่เราจะรองรับข้อสังเกตเหล่านี้ภายในกระบวนทัศน์มาตรฐาน” กล่าว ราเชล ซอมเมอร์วิลล์นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่สถาบันแฟลตไอรอน (เช่น นิตยสาร Quantaได้รับทุนจากมูลนิธิไซมอนส์) ในกรณีนั้น เธอกล่าวว่า “สิ่งที่เราเรียนรู้คือ: รัศมี [สสารมืด] สามารถรวบรวมก๊าซได้เร็วแค่ไหน? เราจะทำให้ก๊าซเย็นลงและหนาแน่นขึ้นและสร้างดาวได้เร็วแค่ไหน? บางทีนั่นอาจเกิดขึ้นเร็วกว่าในเอกภพยุคแรก บางทีแก๊สก็หนาแน่นขึ้น บางทีมันอาจจะไหลเร็วขึ้น ฉันคิดว่าเรายังคงเรียนรู้เกี่ยวกับกระบวนการเหล่านั้น”

Somerville ยังศึกษาความเป็นไปได้ที่หลุมดำรบกวนจักรวาลทารก นักดาราศาสตร์ได้ สังเกตเห็น หลุมดำมวลมหาศาลเรืองแสงสองสามแห่งที่เรดชิฟต์ 6 หรือ 7 ประมาณหนึ่งพันล้านปีหลังจากบิกแบง เป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจว่าเมื่อถึงเวลานั้น ดาวฤกษ์อาจก่อตัว ตาย และยุบตัวเป็นหลุมดำที่กัดกินทุกสิ่งที่อยู่รอบๆ และเริ่มพ่นรังสีออกมา

แต่ถ้ามีหลุมดำอยู่ภายในกาแลคซีในยุคแรกสมมุติ นั่นสามารถอธิบายได้ว่าทำไมกาแลคซีจึงดูสว่าง แม้ว่าจริงๆ แล้วพวกมันจะมีมวลไม่มากก็ตาม Somerville กล่าว

การยืนยันว่า ΛCDM สามารถรองรับกาแลคซีในยุคแรกๆ ของ JWST ได้อย่างน้อยหนึ่งวันก่อนวันคริสต์มาส นักดาราศาสตร์นำโดย เบนจามิน เคลเลอร์ ที่มหาวิทยาลัยเมมฟิส ตรวจสอบแล้ว การจำลองซูเปอร์คอมพิวเตอร์หลักจำนวนหนึ่งของจักรวาล ΛCDM และพบว่าการจำลองสามารถสร้างกาแลคซีที่หนักพอๆ กับสี่แห่งที่ทีม JADES ศึกษาทางสเปกโทรสโกปี (โดยเฉพาะอย่างยิ่งทั้งสี่นี้มีขนาดเล็กกว่าและสลัวกว่ากาแลคซีในยุคแรกๆ เช่น GLASS-z12) ในการวิเคราะห์ของทีม การจำลองทั้งหมดให้กาแลคซีมีขนาดเท่ากับการค้นพบของ JADES ที่ค่าเรดชิฟต์ที่ 10 การจำลองหนึ่งสามารถสร้างกาแลคซีดังกล่าวได้ ที่เรดชิฟต์ที่ 13 เช่นเดียวกับที่ JADES เห็น และอีกสองคนสามารถสร้างกาแลคซีด้วยเรดชิฟต์ที่สูงขึ้นไปอีก ไม่มีกาแลคซี JADES แห่งใดที่ตึงเครียดกับกระบวนทัศน์ ΛCDM ในปัจจุบัน Keller และเพื่อนร่วมงานรายงานบนเซิร์ฟเวอร์ preprint arxiv.org เมื่อวันที่ 24 ธันวาคม

แม้ว่าพวกมันจะขาดความสามารถในการทำลายแบบจำลองจักรวาลวิทยาที่มีอยู่ทั่วไป แต่กาแล็กซี JADES ก็มีลักษณะพิเศษอื่นๆ Hainline กล่าวว่าดาวของพวกมันดูเหมือนไม่มีมลพิษจากโลหะจากดาวที่ระเบิดครั้งก่อน นี่อาจหมายถึงพวกมันคือดาวฤกษ์ Population III ซึ่งเป็นดาวฤกษ์รุ่นแรกที่กระตือรือร้นที่จะจุดประกาย และพวกมันอาจมีส่วนช่วยในการรีไอออนไนซ์ของเอกภพ หากสิ่งนี้เป็นจริง แสดงว่า JWST ได้มองย้อนกลับไปยังช่วงเวลาลึกลับที่จักรวาลถูกกำหนดให้เป็นปัจจุบัน

หลักฐานพิเศษ

 การยืนยันทางสเปกโทรสโกปีของกาแลคซียุคแรกเพิ่มเติมอาจมาในฤดูใบไม้ผลินี้ ขึ้นอยู่กับว่าคณะกรรมการจัดสรรเวลาของ JWST จะแยกแยะสิ่งต่างๆ อย่างไร แคมเปญสังเกตการณ์ที่เรียกว่า WDEEP จะค้นหากาแลคซีที่มีอายุน้อยกว่า 300 ล้านปีหลังจากบิกแบงโดยเฉพาะ เมื่อนักวิจัยยืนยันระยะห่างของกาแลคซีมากขึ้นและประเมินมวลของกาแลคซีได้ดีขึ้น พวกมันจะช่วยตัดสินชะตากรรมของ ΛCDM ได้

มีการสังเกตการณ์อื่น ๆ อีกมากมายที่สามารถเปลี่ยนภาพสำหรับ ΛCDM ได้ Freedman ซึ่งกำลังศึกษาฟังก์ชันมวลเริ่มต้น ตื่นนอนตอนตี 1 ในคืนหนึ่งเพื่อดาวน์โหลดข้อมูล JWST เกี่ยวกับดาวแปรแสงที่เธอใช้เป็น "แท่งเทียนมาตรฐาน" สำหรับการวัดระยะทางและอายุ การวัดเหล่านี้สามารถช่วยขจัดปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับ ΛCDM หรือที่เรียกว่าความตึงของฮับเบิล ปัญหาคือปัจจุบันเอกภพดูเหมือนจะขยายตัวเร็วกว่าที่ ΛCDM คาดการณ์ไว้สำหรับเอกภพอายุ 13.8 พันล้านปี นักจักรวาลวิทยามีคำอธิบายที่เป็นไปได้มากมาย บางที นักจักรวาลวิทยาบางคนคาดเดาว่า ความหนาแน่นของพลังงานมืดที่เร่งการขยายตัวของเอกภพนั้นไม่คงที่เหมือนใน ΛCDM แต่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา การเปลี่ยนแปลงประวัติการขยายตัวของเอกภพอาจไม่เพียงแก้ไขความตึงเครียดของฮับเบิลเท่านั้น แต่ยังแก้ไขการคำนวณอายุของเอกภพด้วยการปรับเรดชิฟต์ที่กำหนดด้วย JWST อาจเห็นกาแลคซียุคแรกตามที่ปรากฏ เช่น 500 ล้านปีหลังจากบิกแบงแทนที่จะเป็น 300 ล้านปี จากนั้นแม้แต่กาแลคซียุคแรกที่สมมุติว่าหนักที่สุดในกระจกของ JWST ก็ยังมีเวลาอีกมากในการรวมตัวกัน Somerville กล่าว

นักดาราศาสตร์ใช้คำขั้นสูงสุดหมดเมื่อพูดถึงผลลัพธ์ดาราจักรยุคแรกเริ่มของ JWST พวกเขาทำให้บทสนทนาของพวกเขาเต็มไปด้วยเสียงหัวเราะ คำสบถ และคำอุทาน แม้ว่าพวกเขาจะเตือนตัวเองถึงสุภาษิตของคาร์ล เซแกน แม้จะใช้มากเกินไปก็ตาม ว่าการกล่าวอ้างที่ไม่ธรรมดานั้นต้องการหลักฐานที่ไม่ธรรมดา พวกเขาแทบรอไม่ไหวที่จะได้ภาพและสเปกตรัมเพิ่มเติม ซึ่งจะช่วยให้พวกเขาปรับแต่งหรือปรับแต่งโมเดลของตนได้ “นั่นคือปัญหาที่ดีที่สุด” Boylan-Kolchin กล่าว “เพราะไม่ว่าคุณจะได้อะไร คำตอบก็น่าสนใจ”