Standart Kozmoloji Modeli, Bir Teleskobun Şaşırtıcı Bulgularından Kurtuldu

Kozmolojideki çatlakların ortaya çıkmasının biraz zaman alması gerekiyordu. Ancak James Webb Uzay Teleskobu (JWST) geçen baharda merceğini açtığında, son derece uzak ama çok parlak gökadalar hemen teleskopun görüş alanına girdi. "Çok aptalca parlaktılar ve göze çarpıyorlardı," dedi Rohan Naidu, Massachusetts Institute of Technology'de bir astronom.

Galaksilerin Dünya'dan görünen uzaklıkları, onların evren tarihinde herkesin tahmin ettiğinden çok daha önce oluştuklarını gösteriyordu. (Bir şey ne kadar uzaktaysa, ışığı o kadar uzun süre önce parladı.) Kuşkular arttı, ancak Aralık ayında gökbilimciler bazı galaksilerin gerçekten de göründükleri kadar uzak ve bu nedenle ilkel olduğunu doğruladılar. Teyit edilen galaksilerin en eskisi, ışığını Büyük Patlama'dan 330 milyon yıl sonra tuttu ve bu da onu evrendeki bilinen en eski yapı rekorunun yeni sahibi yaptı. Bu galaksi oldukça sönüktü, ancak aynı zaman dilimine gevşek bir şekilde sabitlenen diğer adaylar zaten parlıyordu, yani potansiyel olarak çok büyüktüler.

Yıldızlar, Büyük Patlama'dan bu kadar kısa bir süre sonra aşırı ısınmış gaz bulutlarının içinde nasıl tutuşabilir? Kendilerini yerçekimine bağlı bu kadar büyük yapılara nasıl alelacele dokuyabildiler? Böylesine büyük, parlak, erken galaksileri bulmak, Prekambriyen tabakalarında fosilleşmiş bir tavşan bulmaya benziyor. “İlk zamanlarda büyük şeyler olmaz. Büyük şeylere ulaşmak biraz zaman alıyor” dedi. Mike Boylan-Kolchin, Austin Texas Üniversitesi'nde teorik fizikçi.

Gökbilimciler, erken dönem büyük şeylerin bolluğunun mevcut kozmos anlayışına meydan okuyup okumadığını sormaya başladılar. Bazı araştırmacılar ve medya kuruluşları, teleskobun gözlemlerinin standart kozmoloji modelini - lambda soğuk karanlık madde veya ΛCDM modeli olarak adlandırılan iyi test edilmiş bir denklem seti - yeni kozmik bileşenlere veya yöneten yasalara heyecan verici bir şekilde işaret ettiğini iddia etti. Bununla birlikte, o zamandan beri, ΛCDM modelinin dirençli olduğu netleşti. JWST bulguları, araştırmacıları kozmolojinin kurallarını yeniden yazmaya zorlamak yerine, gökbilimcilerin özellikle kozmik başlangıçta galaksilerin nasıl yapıldığını yeniden düşünmelerini sağlıyor. Teleskop henüz kozmolojiyi bozmadı, ancak bu, çok erken galaksilerin durumunun çığır açıcı olmaktan başka bir şey olmayacağı anlamına gelmiyor.

Daha Basit Zamanlar

Çok erken, parlak galaksilerin saptanmasının neden şaşırtıcı olduğunu görmek için, kozmologların evren hakkında ne bildiklerini - ya da bildiklerini düşündüklerini - anlamalarına yardımcı olur.

Büyük Patlama'dan sonra bebek evren soğumaya başladı. Birkaç milyon yıl içinde, uzayı dolduran çalkantılı plazma yerleşti ve elektronlar, protonlar ve nötronlar, çoğu nötr hidrojen olmak üzere atomlarda birleşti. Kozmik karanlık çağlar olarak bilinen belirsiz bir süre boyunca her şey sessiz ve karanlıktı. Sonra bir şey oldu.

Büyük Patlama'dan sonra dağılan maddelerin çoğu, göremediğimiz, karanlık madde denen bir şeyden yapılmıştır. Özellikle ilk başta, kozmos üzerinde güçlü bir etki yarattı. Standart resimde, soğuk karanlık madde (görünmez, yavaş hareket eden parçacıklar anlamına gelen bir terim) kozmosa ayrım gözetmeksizin savruluyordu. Bazı bölgelerde dağılımı daha yoğundu ve bu bölgelerde kümeler halinde çökmeye başladı. Görünür madde, yani atomlar, karanlık madde kümelerinin etrafında kümelenmiş. Atomlar da soğudukça sonunda yoğunlaştılar ve ilk yıldızlar doğdu. Bu yeni radyasyon kaynakları, sözde yeniden iyonlaşma çağı sırasında evreni dolduran nötr hidrojeni yeniden doldurdu. Yerçekimi sayesinde, daha büyük ve daha karmaşık yapılar büyüyerek geniş bir kozmik gökada ağı oluşturdu.

Bu arada, her şey uçmaya devam etti. Gökbilimci Edwin Hubble, 1920'lerde evrenin genişlediğini anladı ve 1990'ların sonunda, adaşı Hubble Uzay Teleskobu, genişlemenin hızlandığına dair kanıtlar buldu. Evreni bir somun kuru üzümlü ekmek olarak düşünün. Un, su, maya ve kuru üzüm karışımı olarak başlar. Bu malzemeleri birleştirdiğinizde maya nefes almaya başlar ve somun yükselmeye başlar. İçindeki kuru üzümler - galaksilerin vekilleri - somun genişledikçe birbirinden daha da uzaklaşır.

Hubble teleskobu, somunun her zamankinden daha hızlı yükseldiğini gördü. Kuru üzümler, yerçekimsel çekimlerine meydan okuyan bir hızda uçuyor. Bu hızlanma, uzayın itici enerjisi tarafından yönlendiriliyor gibi görünüyor - Yunanca Λ harfi ("lambda" olarak telaffuz edilir) ile temsil edilen sözde karanlık enerji. Λ, soğuk karanlık madde ve düzenli madde ve radyasyon değerlerini Albert Einstein'ın genel görelilik teorisinin denklemlerine takın ve evrenin nasıl geliştiğine dair bir model elde edin. Bu "lambda soğuk karanlık madde" (ΛCDM) modeli, kozmosun neredeyse tüm gözlemleriyle eşleşir.

Bu resmi test etmenin bir yolu, çok uzak galaksilere bakmaktır - bu, her şeyi başlatan muazzam alkıştan sonraki ilk birkaç yüz milyon yıl öncesine bakmakla eşdeğerdir. O zamanlar kozmos daha basitti, evrimini tahminlerle karşılaştırmak daha kolaydı.

Gökbilimciler, evrenin en eski yapılarını ilk olarak 1995 yılında Hubble teleskopunu kullanarak görmeye çalıştılar. Hubble, 10 gün boyunca Büyük Kepçe'deki boş görünen bir uzay parçasının 342 pozunu yakaladı. Gökbilimciler, mürekkep gibi karanlıkta saklanan bolluk karşısında hayrete düştüler: Hubble, farklı mesafelerde ve gelişim aşamalarında, herkesin beklediğinden çok daha eski zamanlara uzanan binlerce galaksiyi görebiliyordu. Hubble, son derece uzak bazı galaksileri bulmaya devam edecekti - 2016'da gökbilimciler en uzaktaki yerini buldu, Büyük Patlama'dan 11 milyon yıl sonrasına tarihlendirdikleri soluk bir leke olan GN-z400 olarak adlandırıldı.

Bu, bir galaksi için şaşırtıcı bir şekilde erkendi, ancak kısmen galaksinin Samanyolu'nun kütlesinin sadece %1'ine sahip küçük olması ve kısmen de tek başına durması nedeniyle ΛCDM modeline şüphe uyandırmadı. Gökbilimciler, GN-z11'in garip bir top mu yoksa şaşırtıcı derecede erken galaksilerden oluşan daha büyük bir popülasyonun parçası mı olduğunu görmek için daha güçlü bir teleskopa ihtiyaç duyuyordu; bu, ΛCDM tarifinin önemli bir parçasını kaçırıp kaçırmadığımızı belirlemeye yardımcı olabilirdi.

Açıklanamayacak Kadar Uzak

Adını eski NASA lideri James Webb'den alan yeni nesil uzay teleskobu, 2021 Noel Günü'nde başlatıldı. JWST kalibre edilir edilmez, eski galaksilerden gelen ışık onun hassas elektronik aksamına damladı. Gökbilimciler gördüklerini açıklayan bir dizi makale yayınladılar.

Araştırmacılar, nesnelerin mesafelerini ölçmek için Doppler etkisinin bir versiyonunu kullanıyor. Bu, ambulansın yerini sirenine göre bulmaya benzer: Siren yaklaşırken daha yüksek, uzaklaşırken daha alçak ses verir. Bir galaksi ne kadar uzaktaysa, bizden o kadar hızlı uzaklaşır ve bu nedenle ışığı daha uzun dalga boylarına uzanır ve daha kırmızı görünür. Bu “kırmızıya kaymanın” büyüklüğü şu şekilde ifade edilir: z, burada belirli bir değer için z bir nesnenin ışığının bize ulaşması için ne kadar yol almış olması gerektiğini söyler.

İlk kağıtlardan biri JWST verileri, MIT astronomu Naidu ve arama algoritması açıklanamayacak kadar parlak ve açıklanamayacak kadar uzak görünen bir galaksiyi işaretleyen meslektaşlarından geldi. Naidu buna GLASS-z13 adını verdi ve görünür mesafesini 13'lük bir kırmızıya kayma ile gösterdi - daha önce görülen her şeyden daha uzak. (Gökadanın kırmızıya kayması daha sonra 12.4'e düşürüldü ve GLASS-z12 olarak yeniden adlandırıldı.) Çeşitli JWST gözlem setleri üzerinde çalışan diğer gökbilimciler, 11'den 20'ye kadar kırmızıya kayma değerleri rapor ediyorlardı. CEERS-1749 adlı bir galaksi veya ışığı 2 milyar yıl önce, Büyük Patlama'dan sadece 17 milyon yıl sonra, kozmik zamanın başlangıcından sonra ancak bir göz açıp kapayıncaya kadar onu terk etmiş gibi görünen CR1-z13.7-220.

Bu varsayılan tespitler, ΛCDM olarak bilinen düzgün hikayenin eksik olabileceğini düşündürdü. Her nasılsa, galaksiler hemen büyüdüler. “Erken evrende, devasa galaksiler görmeyi beklemiyorsunuz. İngiltere'deki Portsmouth Üniversitesi'nden astrofizikçi Chris Lovell, "Bu kadar çok yıldızı oluşturacak zamanları olmadı ve bir araya gelmediler" dedi. Gerçekten de Bir çalışma Kasım ayında yayınlanan araştırmacılar, ΛCDM modeli tarafından yönetilen evrenlerin bilgisayar simülasyonlarını analiz ettiler ve JWST'nin ilk parlak galaksilerinin, simülasyonlarda eşzamanlı olarak oluşanlardan çok daha ağır olduğunu buldular.

Bazı gökbilimciler ve medya kuruluşları, JWST'nin kozmolojiyi bozduğunu iddia etti, ancak herkes ikna olmadı. Bir sorun, ΛCDM'nin tahminlerinin her zaman kesin olmamasıdır. Karanlık madde ve karanlık enerji basitken, görünür maddenin karmaşık etkileşimleri ve davranışları vardır ve Big Bang'den sonraki ilk yıllarda tam olarak ne olduğunu kimse tam olarak bilemez; bu çılgın erken zamanlar bilgisayar simülasyonlarında yaklaşık olarak hesaplanmalıdır. Diğer sorun ise, galaksilerin tam olarak ne kadar uzakta olduklarını söylemenin zor olmasıdır.

İlk makalelerden bu yana geçen aylarda, kırmızıya kaymanın yüksek olduğu iddia edilen bazı gökadaların yaşları yeniden ele alındı. Bazıları demoted güncellenmiş teleskop kalibrasyonları nedeniyle kozmik evrimin sonraki aşamalarına. CEERS-1749, gökyüzünün, ışığı 12.4 milyar yıl önce yayılan bir gökada kümesini içeren bir bölgesinde bulundu ve Naidu, gökadanın aslında bu kümenin bir parçası olmasının mümkün olduğunu söylüyor. olduğundan daha kırmızıya kaymış görünür. Naidu'ya göre CEERS-1749 ne kadar uzakta olursa olsun garip. "Bizim bilmediğimiz yeni bir galaksi türü olurdu: çok düşük kütleli, içinde bir şekilde çok fazla toz birikmiş küçük bir galaksi ki bu geleneksel olarak beklemediğimiz bir şey" dedi. "Çok uzak galaksiler için aramalarımızı karıştıran bu yeni nesne türleri olabilir."

Lyman Arası

Herkes, en kesin mesafe tahminlerinin JWST'nin en güçlü yeteneğini gerektireceğini biliyordu.

JWST, yıldız ışığını yalnızca fotometri veya ölçüm parlaklığı yoluyla gözlemlemekle kalmaz, aynı zamanda spektroskopi veya ışığın dalga boylarını ölçerek de gözlemler. Fotometrik gözlem, kalabalıktaki bir yüzün resmi gibiyse, spektroskopik gözlem de bir bireyin aile geçmişini söyleyebilen bir DNA testi gibidir. Büyük erken gökadaları bulan Naidu ve diğerleri, parlaklıktan türetilen ölçümler kullanarak kırmızıya kaymayı ölçtüler - esasen gerçekten iyi bir kamera kullanarak kalabalığın içindeki yüzlere baktılar. Bu yöntem hava geçirmez olmaktan uzaktır. (Amerikan Astronomi Derneği'nin Ocak ayındaki bir toplantısında gökbilimciler, sadece fotometri ile gözlemlenen ilk galaksilerin belki de yarısının doğru bir şekilde ölçüleceğini söylediler.)

Ancak Aralık ayı başlarında, kozmologlar açıkladı her iki yöntemi de dört galaksi için birleştirdiklerini söylediler. JWST Gelişmiş Derin Galaksi Dışı Araştırma (JADES) ekibi, kızılötesi ışık spektrumu Lyman kırılması olarak bilinen kritik bir dalga boyunda aniden kesilen galaksileri aradı. Bu kırılma, galaksiler arasındaki boşlukta yüzen hidrojenin ışığı emmesi nedeniyle oluşur. Evrenin devam eden genişlemesi nedeniyle - sürekli yükselen kuru üzüm - uzak galaksilerin ışığı kayar, dolayısıyla bu ani kırılmanın dalga boyu da kayar. Bir galaksinin ışığı daha uzun dalga boylarında düşüyor gibi göründüğünde, daha uzaktır. JADES, spektrumları 13.2'ye varan kırmızıya kaymalarla tanımladı, bu da galaksinin ışığının 13.4 milyar yıl önce yayıldığı anlamına geliyor.

Veriler aşağı bağlanır bağlanmaz, JADES araştırmacıları paylaşılan bir Slack grubunda "çıldırmaya" başladılar. Kevin Hainline, Arizona Üniversitesi'nde bir astronom. “'Aman Tanrım, aman Tanrım, yaptık, yaptık, yaptık!' gibiydi” dedi. "Bu spektrumlar, astronomiyi değiştiren bilim olacağını düşündüğüm şeyin sadece başlangıcı."

Brant RobertsonSanta Cruz'daki California Üniversitesi'nden bir JADES gökbilimcisi olan JADES, bulguların erken evrenin ilk milyar yılında hızla değiştiğini ve galaksilerin bugünkünden 10 kat daha hızlı evrimleştiğini gösterdiğini söylüyor. "Sinek kuşunun küçük bir yaratık olmasına benzer," dedi, "ama kalbi o kadar hızlı atıyor ki, diğer canlılardan biraz farklı bir hayat yaşıyor. Bu galaksilerin kalp atışları, Samanyolu büyüklüğünde bir şeyden çok daha hızlı bir zaman ölçeğinde gerçekleşiyor.”

Ama kalpleri ΛCDM'nin açıklayamayacağı kadar hızlı mı atıyordu?

Teorik Olasılıklar

Gökbilimciler ve halk JWST görüntülerine hayretle bakarken araştırmacılar, görüşümüze göz kırpan galaksilerin gerçekten ΛCDM'yi alt üst edip etmediğini veya sadece denklemlerine eklememiz gereken sayıları belirlemeye yardımcı olup olmadığını belirlemek için perde arkasında çalışmaya başladı.

Önemli ancak yeterince anlaşılmayan bir sayı, en eski gökadaların kütleleriyle ilgilidir. Kozmologlar, ΛCDM'nin tahmin edilen galaksi büyümesi zaman çizelgesine uyup uymadıklarını söylemek için kütlelerini belirlemeye çalışırlar.

Bir galaksinin kütlesi parlaklığından elde edilir. Fakat Megan DonahueMichigan Eyalet Üniversitesi'nde bir astrofizikçi olan , en iyi ihtimalle, kütle ve parlaklık arasındaki ilişkinin, bilinen yıldızlardan ve iyi çalışılmış galaksilerden derlenen varsayımlara dayanan eğitimli bir tahmin olduğunu söylüyor.

Temel varsayımlardan biri, yıldızların her zaman, ilk kütle işlevi (IMF) olarak adlandırılan belirli bir istatistiksel kütle aralığında oluştuğudur. Bu IMF parametresi, bir galaksinin kütlesini parlaklık ölçümlerinden derlemek için çok önemlidir, çünkü sıcak, mavi, ağır yıldızlar daha fazla ışık üretirken, bir galaksinin kütlesinin çoğunluğu tipik olarak soğuk, kırmızı, küçük yıldızlarda kilitlidir.

Ancak IMF'nin erken evrende farklı olması mümkündür. Eğer öyleyse, JWST'nin ilk galaksileri parlaklıklarının ima ettiği kadar ağır olmayabilir; parlak ama hafif olabilirler. Bu olasılık baş ağrısına neden olur, çünkü bu temel girdiyi ΛCDM modeline değiştirmek size neredeyse istediğiniz her yanıtı verebilir. Lovell, bazı astronomların IMF ile oynamayı "kötülerin alanı" olarak değerlendirdiğini söylüyor.

"İlk kütle işlevini anlamıyorsak, o zaman yüksek kırmızıya kaymadaki galaksileri anlamak gerçekten zor olur" dedi. Wendy Freeman, Chicago Üniversitesi'nde bir astrofizikçi. Ekibi, IMF'yi farklı ortamlarda belirlemeye yardımcı olacak gözlemler ve bilgisayar simülasyonları üzerinde çalışıyor.

Sonbahar boyunca birçok uzman, IMF ve diğer faktörlerde yapılan ince ayarların, JWST'nin ΛCDM'li cihazlarına ışık saçan çok eski gökadaları karelemek için yeterli olabileceğinden şüphelenmeye başladı. "Aslında bu gözlemleri standart paradigmaya sığdırabilmemizin daha olası olduğunu düşünüyorum" dedi. Rachel Somerville, Flatiron Enstitüsü'nde bir astrofizikçi (örneğin, Quanta Dergisi, Simons Vakfı tarafından finanse edilmektedir). Bu durumda, “öğrendiğimiz şey şu: [karanlık madde] haleleri gazı ne kadar hızlı toplayabilir? Gazı ne kadar hızlı soğutup yoğunlaştırabilir ve yıldızlar yapabiliriz? Belki bu erken evrende daha hızlı olur; belki gaz daha yoğundur; belki bir şekilde daha hızlı akıyor. Sanırım hala bu süreçleri öğreniyoruz.”

Somerville ayrıca kara deliklerin bebek kozmosa müdahale etme olasılığını da araştırıyor. gökbilimciler var fark Büyük Patlama'dan yaklaşık bir milyar yıl sonra, kırmızıya kayması 6 veya 7 olan birkaç parlayan süper kütleli karadelik. O zamana kadar yıldızların nasıl oluştuğunu, öldüğünü ve sonra etraflarını saran her şeyi yiyip radyasyon yaymaya başlayan karadeliklere nasıl çöktüklerini tasavvur etmek zor.

Ancak Somerville, varsayılan erken galaksilerin içinde kara delikler varsa, aslında çok büyük olmasalar bile galaksilerin neden bu kadar parlak göründüğünü açıklayabilir, dedi.

ΛCDM'nin JWST'nin ilk gökadalarından en azından bazılarını barındırabileceğine dair onay, Noel'den bir gün önce geldi. liderliğindeki astronomlar Benjamin Keller Memphis Üniversitesi'nde kontrol ΛCDM evrenlerinin bir avuç büyük süper bilgisayar simülasyonu ve simülasyonların, JADES ekibi tarafından spektroskopik olarak incelenen dördü kadar ağır galaksiler üretebileceğini buldu. (Bu dördü, özellikle GLASS-z12 gibi diğer sözde erken galaksilerden daha küçük ve daha sönük.) Ekibin analizinde, tüm simülasyonlar, 10'luk bir kırmızıya kaymada JADES bulgularının boyutunda galaksiler verdi. 13'lük bir kırmızıya kaymada, JADES'in gördüğüyle aynıydı ve diğer ikisi galaksileri daha da yüksek bir kırmızıya kaymada inşa edebilirdi. Keller ve meslektaşlarının 24 Aralık'ta ön baskı sunucusu arxiv.org'da bildirdiğine göre, JADES gökadalarının hiçbiri mevcut ΛCDM paradigması ile gerilim içinde değildi.

Hakim kozmolojik modeli kıracak ağırlıktan yoksun olsalar da, JADES gökadalarının başka özel nitelikleri vardır. Hainline, yıldızlarının önceden patlamış yıldızlardan gelen metallerle kirlenmemiş göründüğünü söyledi. Bu, onların, tutuşmak için hevesle aranan ilk nesil yıldızlar olan Popülasyon III yıldızları oldukları ve evrenin yeniden iyonlaşmasına katkıda bulunabilecekleri anlamına gelebilir. Eğer bu doğruysa, o zaman JWST, evrenin şu anki rotasında ayarlandığı gizemli döneme geri dönmüştür.

Olağanüstü Kanıt

 JWST'nin zaman ayırma komitesinin işleri nasıl bölüştüğüne bağlı olarak, erken ek gökadaların spektroskopik onayı bu bahar gelebilir. WDEEP adlı bir gözlem kampanyası, özellikle Büyük Patlama'dan 300 milyon yıldan daha kısa bir süre sonrasına ait galaksileri arayacak. Araştırmacılar daha fazla galaksinin uzaklığını doğruladıkça ve kütlelerini tahmin etmede ustalaştıkça, ΛCDM'nin kaderini belirlemeye yardımcı olacaklar.

ΛCDM için resmi değiştirebilecek birçok başka gözlem halihazırda devam etmektedir. İlk kütle fonksiyonunu inceleyen Freedman, bir gece saat 1'de, mesafeleri ve yaşları ölçmek için "standart mumlar" olarak kullandığı değişken yıldızlara ilişkin JWST verilerini indiriyordu. Bu ölçümler, Hubble gerilimi olarak bilinen ΛCDM ile ilgili başka bir potansiyel sorunu ortadan kaldırmaya yardımcı olabilir. Sorun şu ki, evren şu anda ΛCDM'nin 13.8 milyar yıllık bir evren için öngördüğünden daha hızlı genişliyor gibi görünüyor. Kozmologların pek çok olası açıklaması var. Belki de bazı kozmologlar, evrenin genişlemesini hızlandıran karanlık enerjinin yoğunluğunun ΛCDM'deki gibi sabit olmadığını, ancak zamanla değiştiğini düşünüyor. Evrenin genişleme geçmişini değiştirmek, yalnızca Hubble gerilimini çözmekle kalmaz, aynı zamanda belirli bir kırmızıya kaymada evrenin yaşının hesaplamalarını da gözden geçirir. JWST, Big Bang'den 500 milyon yerine 300 milyon yıl sonra ortaya çıkan erken bir galaksiyi görüyor olabilir. Somerville, o zaman, JWST'nin aynalarındaki en ağır varsayılan erken gökadaların bile birleşmek için bolca zamana sahip olacağını söylüyor.

Gökbilimciler, JWST'nin ilk galaksi sonuçları hakkında konuşurken üstünlük ifadeleri tükeniyor. Carl Sagan'ın, ne kadar fazla kullanılmış olursa olsun, olağanüstü iddiaların olağanüstü kanıtlar gerektirdiği şeklindeki özdeyişini kendilerine hatırlatırken bile, konuşmalarını kahkahalar, küfürler ve ünlemlerle renklendiriyorlar. Modellerini bilemelerine veya düzeltmelerine yardımcı olacak daha fazla görüntü ve spektrum elde etmek için sabırsızlanıyorlar. Boylan-Kolchin, "Bunlar en iyi problemler" dedi, "çünkü ne elde ederseniz edin, cevap ilginç."