Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba miał pokazać nam wszechświat takim, jakiego jeszcze nie obserwowaliśmy. Miał udzielić odpowiedzi na dręczące nas pytania; ujawnić sekrety kosmosu. Wiele osób pyta gdzie te wszystkie wspaniałości. Czyżbyśmy natrafili na jedną z nich? Czy kosmiczny teleskop Jamesa Webba podważył właśnie teorię Wielkiego Wybuchu?
Co takiego fantastycznego odkrył Webb? Sześć galaktyk o masach dziesiątek i setek miliardów mas Słońca. Nie jest to oczywiście nic niespotykanego. Znamy o wiele masywniejsze galaktyki, ale to co zszokowało astronomów to fakt, GDZIE znaleziono te galaktyki. A właściwie bardziej KIEDY je znaleziono. Jak wiemy im coś jest od nas we wszechświecie dalej, tym wcześniejszy obraz tego miejsca obserwujemy, ze względu na ograniczoną prędkość światła, które musi z tych obiektów do nas dotrzeć. Galaktyki odkryte przez Webba znajdują się tak daleko, że musiały uformować się w okresie pięciuset do siedmiuset pięćdziesięciu milionów lat po powstaniu wszechświata. A według obecnego modelu ewolucji galaktyk, na tak wczesnym etapie nie powinny one być tak masywne. Jeśli obserwacje są poprawne, to musiałyby to być galaktyki tak rozwinięte jak Droga Mleczna.
Ale dlaczego właściwie w tym okresie nie mogłyby powstać tak masywne i złożone galaktyki? Musimy spojrzeć na to jak ewoluował wszechświat w ramach teorii Wielkiego Wybuchu. Chociaż nazwa ta jest bardzo niefortunna, bo z wybuchem nie miało to właściwie nic wspólnego.
Wszystko zaczęło się w punkcie zero. To bardzo ciężki do opisania stan zarówno dla matematyki i fizyki jak i tym bardziej dla naszych mózgów. Nie potrafimy sobie wyobrazić rzeczywistości bez czasu i przestrzeni, a wychodzi na to, że właśnie tak “wyglądały” te chwile na moment przed. Ale znów, ani nie wyglądały, ani nie na moment przed, bo ani czasu ani przestrzeni jeszcze nie było. Rozmyślanie o tym, to prosta droga do szaleństwa.
Nie jesteśmy też w stanie pozyskać z tych okresów żadnych danych obserwacyjnych, przynajmniej nie w zakresie promieniowania elektromagnetycznego, bo tego zwyczajnie jeszcze nie było w takiej formie, w jakiej obserwujemy je dzisiaj. Totalna pomieszanie z poplątaniem, a jednak w tym stanie musiała być metoda.
A więc co było na początku?
Według teorii Wielkiego Wybuchu, pierwsze chwile wszechświata są opisane przez Erę Planck, która trwała od zera do 10^-43 sekundy po Wielkim Wybuchu. W tym okresie, wszechświat był bardzo gęsty i gorący, a prawa fizyki, jakie znamy dzisiaj, nie miały zastosowania. Był to moment, w którym wszystkie siły natury były zintegrowane w jedną, gęstość wszechświata była większa niż 10^97 kg/m³, a zjawiska zachodzące wtedy pozostają poza zasięgiem naszych zwykłych metod badawczych. Być może nowa kwantowa teoria grawitacji, nad którą fizycy pracują w pocie czoła, pozwoli nam za jakiś czas lepiej zrozumieć ten okres. być może postępy w obserwacji fal grawitacyjnych będą w stanie dać nam technologię, która uchyli rąbka tajemnicy. W tym momencie nie wiemy nawet czego konkretnie potrzeba aby zrozumieć ten stan wszechświata. Wiemy jednak, że w początkowych erach dominowała energia nad materią, a temperatura i gęstość wszechświata malały.
Pod koniec ery Plancka temperatura wszechświata wynosiła około 10^32 stopni Celsjusza. Warto zauważyć, że w ramach teorii względności materia i energia są sobie równoważne, dlatego rozważamy je łącznie jako wszechświat. Mimo że wiele zjawisk z okresu Ere Plancka pozostaje poza zasięgiem naszych obecnych metod badawczych, to wciąż jest to bardzo interesujący okres, który pomaga nam lepiej zrozumieć początki naszego wszechświata.
Kiedy wszechświat zaczynał przypominać już bardziej to co znamy z dzisiejszych obserwacji?
Około 10 sekund po Wielkim Wybuchu, większość elektronów i ich antycząstek pozytonów zniknęło anihilując ze sobą, pozostawiając niewielką ilość elektronów. Przypuszcza się, że ich istnienie tłumaczy zasada łamania symetrii. Wtedy rozpoczęła się era promieniowania, w której wszechświat wypełniały głównie fotony, z niewielką domieszką protonów i neutronów oraz małymi ilościami helu. Te cząstki ciągle ze sobą oddziaływały, a temperatura promieniowania była równa temperaturze materii, co powodowało, że wszechświat był nieprzezroczysty. Fotony nie mogły swobodnie podróżować, ponieważ momentalnie były wychwytywane.
Około 10 000 lat po Wielkim Wybuchu energia zawarta w promieniowaniu stała się mniejsza od energii związanej z materią, co oznaczało, że wszechświat przestał być zdominowany przez promieniowanie, a stał się zdominowany przez materię. Około 300 000 lat po Wielkim Wybuchu temperatura spadła do 3000 stopni Celsjusza. Wtedy średnia energia fotonów stała się niższa niż energia jonizacji atomu wodoru. W wyniku tego, protony i elektrony połączyły się trwale, tworząc atomy, a fotony poruszały się niemal swobodnie, tworząc promieniowanie tła, które jest możliwe do obserwacji obecnie. Dopiero po trzystu tysiącach lat istnienia wszechświata zaistniały warunki, które umożliwiły powstanie gwiazd, planet i galaktyk. Widzimy więc, że nie zostaje zbyt wiele czasu na to aby te ostatnie mogły się uformować na takiej zasadzie jak opisuje to teoria ewolucji tychże. Musimy pamiętać, że powstawanie gwiazd i innych struktur trwa przecież całe miliony lat.
Astronomowie nie twierdzą, że złożone galaktyki pojawiły się dopiero pięćset milionów lat po powstaniu wszechświata. Nie są zwyczajnie w stanie badać wcześniejszych etapów. Dlaczego?
Przez zjawisko które nazywa się skokiem Balmera. Masę tak odległych galaktyk szacuje się między innymi za pomocą badania ich widma świetlnego. Pomaga w tym właśnie nagły spadek intensywności widma na granicy serii Balmera. Ta znowu jest serią linii w widmie, które powstają w momencie gdy elektron w atomie wodoru spada z wyższego orbitala na drugą powłokę elektronową.
Niestety w tak odległych, uciekających w dodatku od nas galaktyk następuje przesunięcie widma ku czerwieni, spowodowane efektem dopplera. Czyli klasyczne czary-mary z falami i poruszającym się ich źródłem. Jeśli galaktyka zbliża się do nas to następuje zagęszczenie fal i przesunięcie światła widzialnego ku kolorowi niebieskiemu, jeśli się oddala, to fale niejako rozrzedzają się i następuje przesunięcie ku czerwieni. Niestety ten efekt przeszkadza tu w uzyskaniu danych z Webba dla wcześniejszych lat istnienia wszechświata. Gdyby okazało się, że w pełni uformowane galaktyki pojawiły się już sto milionów lat po wielkim wybuchu, to mielibyśmy nie lada zagwozdkę.
Te obiekty są znacznie bardziej masywne, niż ktokolwiek się spodziewał.
Badacze spodziewali się znaleźć tylko małe, młode, niemowlęce galaktyki w tym okresie, ale odkryli galaktyki dojrzałe jak nasza własna we wcześnie rozumianym świcie wszechświata. Chociaż dane wskazują, że prawdopodobnie są to galaktyki, istnieje realna możliwość, że kilka z tych obiektów okaże się zasłoniętymi supermasywnymi czarnymi dziurami. Bez względu na to, ilość odkrytej masy oznacza, że znana masa gwiazd w tym okresie wszechświata jest nawet 100 razy większa niż przypuszczano wcześniej. Nawet gdyby zmniejszyć próbkę o połowę, nadal byłby to zdumiewający wynik.
Leja wyjaśnił, że galaktyki odkryte przez zespół są tak masywne, że są sprzeczne z 99% modeli kosmologicznych. Uwzględnienie tak dużej ilości masy wymagałoby zmiany modeli kosmologicznych lub rewizji naukowego rozumienia powstawania galaktyk we wczesnym wszechświecie – że galaktyki zaczynały się jako małe chmury gwiazd i pyłu, które stopniowo powiększały się w czasie. Każdy scenariusz wymaga fundamentalnej zmiany w naszym zrozumieniu, jak powstał wszechświat.
12 lipca NASA opublikowała pierwsze pełnokolorowe zdjęcia i dane spektroskopowe z teleskopu kosmicznego Jamesa Webba. Webb, będący największym teleskopem podczerwieni w kosmosie, został zaprojektowany do obserwacji genezy kosmosu, a jego wysoka rozdzielczość pozwala na obserwację obiektów zbyt starych, odległych lub słabych dla Teleskopu Hubble’a.
Jak Leja i jego zespół zareagowali na odkrycie?
Gdy otrzymaliśmy dane, wszyscy zaczęli się w nie zagłębiać i te masywne obiekty szybko się wyróżniły. Zaczęliśmy modelować próbując zrozumieć, czym one są, ponieważ były tak duże i jasne. Pierwsza myśl była taka, że popełniliśmy błąd i po prostu go znajdziemy, a potem przejdziemy dalej. Ale mimo wielu prób, nie udało nam się znaleźć tego błędu.
Pytanie na ile pewni jesteśmy, że dane Webba są już zgodne z rzeczywistością. Nieodpowiednia kalibracja teleskopu sprawiła, że NASA wystosowała kilka miesięcy temu informację do zespołów naukowych o ponownym przeanalizowaniu danych i uwzględnieniu poprawek. Czy dane obserwacyjne zespołu Lei były uzupełniane o te poprawki, do tego niestety nie udało mi się dotrzeć.
Credit: NASA, ESA, CSA, I. Labbe (Swinburne University of Technology). Image processing: G. Brammer (Niels Bohr Institute’s Cosmic Dawn Center at the University of Copenhagen)
Kolejnym nasuwającym się pytaniem jest to czy faktycznie opisane zostało to co znajduje się w obserwowanym miejscu kosmosu. Galaktyki nie mają olbrzymich tablic z wypisanymi parametrami. Dochodzi się do nich niejako rozwiązując równania z wieloma niewiadomymi. Jedne parametry wynikają z innych, ale najpierw trzeba te drugie wykryć, zaobserwować i poprawnie opisać. Jest sporo miejsca na popełnienie błędu.
Leja wyjaśnił, że jednym ze sposobów potwierdzenia odkrycia zespołu i rozwiania wszelkich pozostałych wątpliwości byłoby uzyskanie spektralnego obrazu tych masywnych galaktyk. Pozwoliłoby to zespołowi na uzyskanie danych na temat rzeczywistych odległości, a także gazów i innych pierwiastków tworzących galaktyki. Następnie zespół mógłby wykorzystać te dane do stworzenia jaśniejszego obrazu wyglądu galaktyk oraz ich rzeczywistej masy. Spektrum natychmiast powie nam, czy te obiekty są prawdziwe. Pokaże nam, jak duże są i jak daleko się znajdują.
Kolejnym pytaniem jest oczywiście to, czy model ewolucji galaktyk jest poprawny. Wciąż jeszcze nie wiemy wielu rzeczy na temat powstawania tych skupisk gwiazd i obserwacje z Jamesa Webba mogą pozwolić na kolejne odkrycia w tej dziedzinie i ulepszenie tego modelu.
Jak więc widać jest jeszcze spory zapas potencjalnych przyczyn zanim ogłosimy koniec Teorii Wielkiego Wybuchu jak zrobiło to sporo nagłówków, ale i tekstów na różnych portalach.
