Стандартна модель космології вижила після несподіваних знахідок телескопа

Передбачається, що тріщини в космології з’являться через деякий час. Але коли минулої весни космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) відкрив свій об’єктив, надзвичайно далекі, але дуже яскраві галактики одразу засяяли в поле зору телескопа. «Вони були такими безглуздо яскравими, і вони просто виділялися», — сказав Рохан Найду, астроном Массачусетського технологічного інституту.

Видимі відстані галактик від Землі свідчать про те, що вони утворилися набагато раніше в історії Всесвіту, ніж хтось передбачав. (Чим далі знаходиться щось, тим довше спалахнуло його світло.) Були сумніви, але в грудні астрономи підтвердили, що деякі з галактик справді такі ж далекі, а отже, такі ж первинні, якими вони здаються. Найдавніша з підтверджених галактик пролила світло через 330 мільйонів років після Великого вибуху, що зробило її новим рекордсменом як найдавніша відома структура у Всесвіті. Ця галактика була досить тьмяною, але інші кандидати, прив’язані до того самого періоду часу, вже сяяли яскраво, тобто вони були потенційно величезними.

Як зірки могли спалахнути всередині перегрітих хмар газу так скоро після Великого вибуху? Як вони могли поспішно вплести себе в такі величезні гравітаційно зв'язані структури? Знайти такі великі, яскраві ранні галактики здається схожим на пошук скам’янілого кролика в докембрійських шарах. «На ранньому етапі не буває великих речей. Потрібен час, щоб досягти великих речей», – сказав Майк Бойлан-Колчин, фізик-теоретик Техаського університету в Остіні.

Астрономи почали запитувати, чи велика кількість ранніх великих речей суперечить сучасному розумінню космосу. Деякі дослідники та засоби масової інформації стверджували, що спостереження телескопа порушують стандартну модель космології — добре перевірений набір рівнянь, званий лямбда-моделлю холодної темної матерії, або ΛCDM, — захоплююче вказуючи на нові космічні інгредієнти чи керівні закони. Однак з тих пір стало зрозуміло, що модель ΛCDM є стійкою. Замість того, щоб змусити дослідників переписати правила космології, висновки JWST змушують астрономів переосмислити, як створюються галактики, особливо на початку космосу. Телескоп ще не зламав космологію, але це не означає, що випадок надто ранніх галактик виявиться чимось іншим, крім епохальним.

Простіші часи

Щоб зрозуміти, чому виявлення дуже ранніх яскравих галактик викликає подив, це допоможе зрозуміти, що космологи знають — або думають, що знають — про Всесвіт.

Після Великого вибуху дитячий всесвіт почав охолоджуватися. Протягом кількох мільйонів років кипляча плазма, яка заповнювала простір, осіла, і електрони, протони та нейтрони об’єдналися в атоми, переважно нейтрального водню. Усе було тихо й темно протягом періоду невизначеної тривалості, відомого як космічні темні віки. Потім щось сталося.

Більшість матеріалу, який розлетівся після Великого вибуху, складається з чогось, що ми не можемо побачити, що називається темною матерією. Воно справляло потужний вплив на космос, особливо спочатку. На стандартній картині холодна темна матерія (термін, що означає невидимі частинки, що повільно рухаються) без розбору розкидалася по космосу. У деяких районах його розподіл був більш щільним, і в цих регіонах він почав розпадатися на згустки. Видима матерія, тобто атоми, скупчені навколо згустків темної матерії. Коли атоми також охолонули, вони зрештою конденсувалися, і народжувалися перші зірки. Ці нові джерела випромінювання заряджали нейтральний водень, який наповнював Всесвіт під час так званої епохи реіонізації. Завдяки гравітації зростали більші та складніші структури, створюючи величезну космічну мережу галактик.

А тим часом все розліталося. Астроном Едвін Хаббл у 1920-х роках зрозумів, що Всесвіт розширюється, а наприкінці 1990-х його тезка, космічний телескоп Хаббла, знайшов докази того, що розширення прискорюється. Думайте про всесвіт як про буханець хліба з родзинками. Починається як суміш борошна, води, дріжджів і родзинок. Коли ви поєднуєте ці інгредієнти, дріжджі починають дихати, і хліб починає підніматися. Родзинки всередині нього — замінники галактик — розтягуються далі одна від одної, коли буханець розширюється.

Телескоп Hubble побачив, що буханка росте все швидше. Родзинки розлітаються зі швидкістю, що не піддається їх гравітаційному тяжінню. Схоже, це прискорення викликано енергією відштовхування самого простору — так званою темною енергією, яка позначається грецькою літерою Λ (вимовляється як «лямбда»). Підставте значення Λ, холодної темної матерії, звичайної матерії та випромінювання до рівнянь загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, і ви отримаєте модель еволюції Всесвіту. Ця модель «лямбда-холодної темної матерії» (ΛCDM) відповідає майже всім спостереженням космосу.

Один із способів перевірити цю картину — подивитися на дуже далекі галактики — еквівалентно тому, щоб озирнутися в минуле до перших кількох сотень мільйонів років після приголомшливого хлопку, з якого все почалося. Космос тоді був простішим, його еволюцію легше порівнювати з прогнозами.

Астрономи вперше спробували побачити найдавніші структури Всесвіту за допомогою телескопа Hubble у 1995 році. Протягом 10 днів Hubble зробив 342 кадри порожньої на вигляд ділянки космосу у Великій Ведмедиці. Астрономи були вражені великою кількістю галактик, що ховаються в чорнильній темряві: Хаббл міг побачити тисячі галактик на різних відстанях і на різних стадіях розвитку, починаючи з набагато більш ранніх часів, ніж хтось очікував. Хаббл продовжував знаходити деякі надзвичайно віддалені галактики — у 2016 році астрономи знайшов його найдальшийGN-z11, слабка пляма, яку вони датували 400 мільйонами років після Великого вибуху.

Це було напрочуд рано для галактики, але це не поставило під сумнів модель ΛCDM частково через те, що галактика крихітна, лише з 1% маси Чумацького Шляху, а частково тому, що вона стояла окремо. Астрономам потрібен був потужніший телескоп, щоб побачити, чи була GN-z11 диваком чи частиною більшої популяції дивовижно ранніх галактик, що могло б допомогти визначити, чи не втрачено нам важливу частину рецепту ΛCDM.

Незрозуміло далекий

Цей космічний телескоп нового покоління, названий на честь колишнього керівника NASA Джеймса Вебба, запущено на Різдво 2021 року. Як тільки JWST було відкалібровано, світло від ранніх галактик капало на його чутливу електроніку. Астрономи опублікували потік статей з описом того, що вони побачили.

Дослідники використовують версію ефекту Доплера для вимірювання відстані до об’єктів. Це схоже на визначення місцезнаходження машини швидкої допомоги на основі її сирени: сирена звучить вище, коли вона наближається, і нижче, коли вона віддаляється. Чим далі галактика, тим швидше вона віддаляється від нас, тому її світло розтягується на більшу довжину хвилі і здається червонішим. Величина цього «червоного зсуву» виражається як z, де задане значення для z показує вам, скільки часу мало пройти світло об’єкта, щоб досягти нас.

Одна з перших статей на дані JWST надійшли від Найду, астронома Массачусетського технологічного інституту, та його колег, чий алгоритм пошуку позначив галактику, яка здавалася незрозуміло яскравою та незрозуміло далекою. Найду назвав його GLASS-z13, вказавши його видиму відстань при червоному зміщенні 13 — далі, ніж будь-що раніше. (Червоне зміщення галактики пізніше було переглянуто до 12.4 і було перейменовано на GLASS-z12.) Інші астрономи, які працювали над різними наборами спостережень JWST, повідомляли про значення червоного зсуву від 11 до 20, включно з одна галактика під назвою CEERS-1749 або CR2-z17-1, чиє світло, здається, покинуло його 13.7 мільярдів років тому, лише 220 мільйонів років після Великого вибуху — ледь мигнувши оком після початку космічного часу.

Ці передбачувані виявлення свідчать про те, що акуратна історія, відома як ΛCDM, може бути неповною. Якимось чином галактики одразу стали величезними. «У ранньому Всесвіті ви не очікуєте побачити масивні галактики. Вони не встигли утворити стільки зірок і не злилися разом», — сказав Кріс Ловелл, астрофізик з Університету Портсмута в Англії. Дійсно, в дослідження опублікованому в листопаді, дослідники проаналізували комп’ютерне моделювання всесвітів, керованих моделлю ΛCDM, і виявили, що ранні яскраві галактики JWST були на порядок важчі за ті, які утворилися одночасно під час моделювання.

Деякі астрономи та ЗМІ стверджували, що JWST руйнує космологію, але не всі були переконані. Одна з проблем полягає в тому, що прогнози ΛCDM не завжди чіткі. Хоча темна матерія та темна енергія прості, видима матерія має складну взаємодію та поведінку, і ніхто точно не знає, що сталося в перші роки після Великого вибуху; ті шалені ранні часи мають бути наближені за допомогою комп’ютерного моделювання. Інша проблема полягає в тому, що важко точно визначити, наскільки далеко розташовані галактики.

За кілька місяців після перших статей вік деяких передбачуваних галактик із високим червоним зміщенням був переглянутий. Деякі були понижений до пізніших етапів космічної еволюції завдяки оновленим калібраціям телескопа. CEERS-1749 виявлено в області неба, що містить скупчення галактик, світло яких випромінювалося 12.4 мільярда років тому, і Найду каже, що можливо, що галактика насправді є частиною цього скупчення — ближчого помічника, який може бути наповнений пилом, що робить він виглядає більш червоним зміщенням, ніж є. За словами Найду, CEERS-1749 є дивним, незалежно від того, наскільки далеко він знаходиться. «Це буде галактика нового типу, про яку ми не знали: крихітна галактика з дуже малою масою, яка якимось чином накопичила в собі багато пилу, чого ми традиційно не очікуємо», — сказав він. «Можливо, існують нові типи об’єктів, які заважають нашим пошукам дуже далеких галактик».

Лиманська перерва

Усі знали, що найточніші оцінки відстані вимагатимуть найпотужніших можливостей JWST.

JWST не тільки спостерігає за світлом зірок за допомогою фотометрії або вимірювання яскравості, а й за допомогою спектроскопії або вимірювання довжин хвиль світла. Якщо фотометричне спостереження схоже на зображення обличчя в натовпі, то спектроскопічне спостереження схоже на тест ДНК, який може розповісти про сімейну історію людини. Найду та інші, які знайшли великі ранні галактики, виміряли червоне зміщення за допомогою вимірювань яскравості — по суті, дивлячись на обличчя в натовпі за допомогою справді хорошої камери. Цей метод далеко не герметичний. (На січневому засіданні Американського астрономічного товариства астрономи пожартували, що, можливо, половина ранніх галактик, спостережених лише за допомогою фотометрії, виявиться точно виміряною.)

Але на початку грудня космологи оголошений що вони поєднали обидва методи для чотирьох галактик. Команда JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) шукала галактики, спектр інфрачервоного світла яких раптово обривається на критичній довжині хвилі, відомої як розрив Лаймана. Цей розрив відбувається тому, що водень, що плаває в просторі між галактиками, поглинає світло. Через безперервне розширення Всесвіту — хліб із родзинками, що постійно зростає — світло далеких галактик зміщується, тому довжина хвилі цього різкого розриву також зміщується. Коли здається, що світло галактики падає на більшій довжині хвилі, це означає, що вона більш віддалена. JADES ідентифікував спектри з червоним зміщенням до 13.2, тобто світло галактики випромінювалося 13.4 мільярда років тому.

Як тільки дані були передані вниз, дослідники JADES почали «зводити з розуму» у спільній групі Slack, відповідно до Кевін Хейнлайн, астроном Університету Арізони. «Це було таке: «О Боже мій, о Боже мій, ми це зробили, ми це зробили, ми це зробили!» — сказав він. «Ці спектри — лише початок того, що, на мою думку, змінить астрономію».

Брант Робертсон, астроном JADES з Каліфорнійського університету в Санта-Крус, каже, що результати показують, що ранній Всесвіт швидко змінювався протягом свого першого мільярда років, причому галактики розвивалися в 10 разів швидше, ніж зараз. Це схоже на те, як «колібрі — маленька істота», — сказав він, — «але її серце б’ється так швидко, що вона живе дещо іншим життям, ніж інші істоти. Серцебиття цих галактик відбувається набагато швидше, ніж щось розміром з Чумацький Шлях».

Але чи їхні серця билися занадто швидко, щоб ΛCDM міг пояснити?

Теоретичні можливості

Поки астрономи та громадськість дивилися на зображення JWST, дослідники почали працювати за лаштунками, щоб визначити, чи галактики, що блимають у нашому полі, справді перевертають ΛCDM чи просто допомагають визначити цифри, які ми повинні включити в його рівняння.

Одна важлива, але погано вивчена цифра стосується мас найдавніших галактик. Космологи намагаються визначити їхні маси, щоб визначити, чи відповідають вони прогнозованому ΛCDM графіку зростання галактик.

Маса галактики визначається її яскравістю. але Меган Донахью, астрофізик з Університету штату Мічіган, каже, що в найкращому випадку зв’язок між масою та яскравістю є обґрунтованим припущенням, заснованим на припущеннях, почерпнутих із відомих зірок і добре вивчених галактик.

Одним із ключових припущень є те, що зірки завжди утворюються в межах певного статистичного діапазону мас, який називається початковою функцією маси (IMF). Цей параметр IMF має вирішальне значення для визначення маси галактики на основі вимірювань її яскравості, тому що гарячі, блакитні, важкі зірки виробляють більше світла, тоді як більша частина маси галактики зазвичай замкнена в холодних, червоних, маленьких зірках.

Але можливо, що МВФ був іншим у ранньому Всесвіті. Якщо це так, то перші галактики JWST можуть бути не такими важкими, як припускає їх яскравість; вони можуть бути яскравими, але легкими. Ця можливість викликає головний біль, тому що зміна цього основного вхідного сигналу в модель ΛCDM може дати вам майже будь-яку відповідь, яку ви хочете. Ловелл каже, що деякі астрономи вважають вози з МВФ «сферою злих».

«Якщо ми не розуміємо початкову функцію маси, то розуміння галактик із високим червоним зміщенням є справді проблемою», — сказав Венді Фріман, астрофізик Чиказького університету. Її команда працює над спостереженнями та комп’ютерним моделюванням, які допоможуть визначити МВФ у різних середовищах.

Протягом осені багато експертів прийшли до підозри, що налаштувань МВФ та інших факторів може бути достатньо, щоб висвітлити дуже стародавні галактики на інструментах JWST за допомогою ΛCDM. «Я думаю, що насправді більш імовірно, що ми зможемо вмістити ці спостереження в рамках стандартної парадигми», — сказав Рейчел Сомервіль, астрофізик в Інституті Флетайрона (який, наприклад Журнал Quanta, фінансується Фондом Сімонса). У цьому випадку, сказала вона, «те, що ми дізнаємося, це: як швидко ореоли [темної матерії] можуть збирати газ? Як швидко ми можемо змусити газ охолонути, стати щільним і створити зірки? Можливо, це відбувається швидше в ранньому Всесвіті; можливо, газ щільніший; може якось швидше вливається. Я думаю, що ми все ще вивчаємо ці процеси».

Сомервілл також вивчає можливість того, що чорні діри заважали дитячому космосу. Астрономи мають помітив кілька сяючих надмасивних чорних дір із червоним зсувом 6 або 7, приблизно через мільярд років після Великого вибуху. Важко уявити, як до того часу зірки могли сформуватися, загинути, а потім розвалитися в чорні діри, які з’їли все, що їх оточувало, і почали викидати радіацію.

Але якщо в передбачуваних ранніх галактиках є чорні діри, це може пояснити, чому галактики здаються такими яскравими, навіть якщо вони насправді не дуже масивні, сказав Сомервілл.

Підтвердження того, що ΛCDM може вмістити принаймні деякі з ранніх галактик JWST, надійшло за день до Різдва. Астрономи на чолі з Бенджамін Келлер в університеті Мемфіса перевірено кілька великих суперкомп’ютерних симуляцій всесвітів ΛCDM і виявив, що симуляції можуть створювати такі ж важкі галактики, як чотири, які спектроскопічно досліджувала команда JADES. (Ці чотири, зокрема, менші та тьмяніші, ніж інші передбачувані ранні галактики, такі як GLASS-z12.) У аналізі команди всі симуляції дали галактики розміром з результати JADES при червоному зміщенні 10. Одне моделювання могло б створити такі галактики при червоному зміщенні 13, такому самому, як побачив JADES, а дві інші могли побудувати галактики при ще більшому червоному зміщенні. Келлер і його колеги повідомили на сервері препринтів arxiv.org 24 грудня, що жодна з галактик JADES не суперечить поточній парадигмі ΛCDM.

Хоча їм бракує ваги, щоб порушити переважаючу космологічну модель, галактики JADES мають інші особливі характеристики. Хейнлайн сказав, що їхні зірки, здається, не забруднені металами зірок, які раніше вибухнули. Це може означати, що вони є зірками Популяції III — жадібним першим поколінням зірок, які коли-небудь спалахнуть — і що вони можуть сприяти реіонізації Всесвіту. Якщо це правда, тоді JWST вже зазирнула назад до таємничого періоду, коли Всесвіт був встановлений своїм теперішнім курсом.

Надзвичайні докази

 Спектроскопічне підтвердження додаткових ранніх галактик може надійти цієї весни, залежно від того, як комітет JWST розподілить час. Спостережна кампанія під назвою WDEEP спеціально шукатиме галактики менш ніж за 300 мільйонів років після Великого вибуху. Коли дослідники підтвердять більше відстаней до галактик і стануть краще оцінювати їх маси, вони допоможуть вирішити долю ΛCDM.

Багато інших спостережень вже проводяться, які можуть змінити картину для ΛCDM. Фрідман, яка вивчає початкову функцію маси, однієї ночі прокинулася о першій годині ночі, завантажуючи дані JWST про змінні зірки, які вона використовує як «стандартні свічки» для вимірювання відстаней і віку. Ці вимірювання можуть допомогти вирішити іншу потенційну проблему з ΛCDM, відому як напруга Хаббла. Проблема полягає в тому, що Всесвіт зараз, здається, розширюється швидше, ніж передбачає ΛCDM для Всесвіту віком 1 мільярдів років. У космологів є багато можливих пояснень. Можливо, припускають деякі космологи, щільність темної енергії, яка прискорює розширення Всесвіту, не є постійною, як у ΛCDM, а змінюється з часом. Зміна історії розширення Всесвіту може не тільки усунути напругу Хаббла, але й переглянути розрахунки віку Всесвіту при даному червоному зміщенні. Можливо, JWST бачить ранню галактику такою, якою вона з’явилася, скажімо, через 13.8 мільйонів років після Великого вибуху, а не через 500 мільйонів. Тоді навіть найважчі передбачувані ранні галактики в дзеркалах JWST мали б достатньо часу, щоб злитися, каже Сомервілл.

Астрономи закінчуються чудовими оцінками, коли говорять про ранні результати JWST щодо галактик. Вони прикрашають свої розмови сміхом, лайками та вигуками, навіть коли вони нагадують собі прислів’я Карла Сагана, хоч і надмірно вживане, про те, що незвичайні твердження потребують незвичайних доказів. Вони не можуть дочекатися, щоб отримати більше зображень і спектрів, які допоможуть їм відточити або налаштувати свої моделі. «Це найкращі завдання, — сказав Бойлан-Колчін, — тому що незалежно від того, що ви отримаєте, відповідь буде цікавою».