Η «όμορφη σύγχυση» των πρώτων δισεκατομμυρίων ετών εμφανίζεται

Σούζαν ΚάσινΑυτός, ένας αστρονόμος στο Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου, έδειξε εικόνες από προηγούμενα παρατηρητήρια σε σύγκριση με εκείνες του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb. Ήταν σαν ο οφθαλμίατρος να γυρίζει τον φακό έτσι ώστε οι τελευταίες γραμμές στον οφθαλμολογικό πίνακα να είναι στο επίκεντρο. «Ευχαριστώ Webb, αυτή είναι μια διαφορά 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων», είπε. Ο κόσμος γέλασε και έγνεψε καταφατικά.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb είναι μοναδικό στην ικανότητά του να βλέπει ένα νεαρό σύμπαν, το οποίο έχει απομακρυνθεί από εμάς στο χώρο και στο χρόνο. Οι υπέρυθροι αισθητήρες του, η εξαιρετικά κρύα του θέση στο διάστημα και η ηλιόσφαιρά του – η οποία εμποδίζει το φως από τον Ήλιο, τη Σελήνη και τη Γη – είναι μοναδικά κατάλληλα για τον εντοπισμό των πρώτων γαλαξιών και των αστεριών τους. Αυτά τα αντικείμενα είναι πολύ αμυδρά και έχουν λάθος μήκη κύματος για να τα δουν προηγούμενα παρατηρητήρια, όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble.

Για τους αστρονόμους, οι ατμόσφαιρες είναι συλλογικές. Πολλές από τις παρουσιάσεις στο συνέδριο του KITP περιλάμβαναν εκκλήσεις σε συνεργάτες και εταίρους να μοιραστούν ιδέες.

«Ήταν ένας τρελός διαγωνισμός όταν έπεσαν τα πρώτα δεδομένα. Τώρα πρόκειται για ιδέες», είπε. Κέιτλιν Κέισι Από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν. «Υπάρχει ένας τεράστιος όγκος δεδομένων και όλοι έχουν αρκετά από αυτά».

Αστροφυσικός Ρέιτσελ ΣόμερβιλΗ κοινότητα προσπαθεί να κατανοήσει τα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb και τις επιπτώσεις τους, είπε ο ίδιος, ο οποίος συνδιοργάνωσε τη συνάντηση. Οι παρατηρητές βλέπουν πράγματα που δεν εξηγούνται στις τρέχουσες θεωρίες για την εξέλιξη του νεαρού σύμπαντος.

«Πολλές παρουσιάσεις έχουν δείξει ότι υπάρχει μια ένταση μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης», είπε. Fabio Pacucci από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, σε ένα παράδειγμα κοσμολογικής ελαχιστοποίησης. Για να καταδείξει τη σύγχυση που νιώθουν οι αστρονόμοι για αυτό το τηλεσκόπιο που ανατρέπει όσα γνωρίζουμε για το νεαρό σύμπαν, έδειξε μια σατιρική διαφάνεια: μια γελοιογραφία ενός σκύλου που κάθεται σε ένα τραπέζι πίνοντας καφέ ενώ το σπίτι του καίγεται , με λεζάντα “Αυτό είναι καλό.”

Το μεγαλύτερο και πιο φωτεινό

Οι αστρονόμοι έχουν δείξει έναν από τους πιο σημαντικούς γαλαξίες που έχουν δει μέχρι στιγμής, μια απροσδόκητα φωτεινή κηλίδα φωτός που ονομάζεται JADES-GS-z14-0. Ο Heinlein, του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, είναι μέλος της ομάδας που το ανακάλυψε σε συνεργασία με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Επιβεβαιώθηκε η απόσταση Τον Μάιο του 2024. Είναι ο παλαιότερος γνωστός γαλαξίας, καταρρίπτοντας τον προηγούμενο κάτοχο του ρεκόρ, που ήταν Θεμελιώ Με την ίδια ομάδα το 2023.

Τη στιγμή που ο γαλαξίας φώτιζε, τα ηχητικά κύματα που δημιουργήθηκαν από το τεράστιο χειροκρότημα που ξεκίνησε το σύμπαν εξακολουθούσαν να ηχούν μέσα στο κενό. Τα πρώτα αστέρια γεννήθηκαν κατά τη διάρκεια ενός καταστροφικού baby boom, και μερικά ήταν ήδη νεκρά. Επίσης, κρύβονταν οι σκοτεινοί πυρήνες των μαύρων τρυπών, περιοχές του διαστήματος όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που ακόμη και το φως δεν μπορεί να διαφύγει. Και υπήρχε αυτό το σμήνος αστεριών, που επιλύθηκε ως μυστηριώδης σκορπιός στα φίλτρα του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb. Δύο όργανα στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μπόρεσαν να διακρίνουν τη φωτεινότητα του JADES-GS-z14-0 και την απόστασή του από τη Γη. Λόγω της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος, αντικείμενα που βρέθηκαν σε μεγάλες αποστάσεις χρονολογούνται πολύ παλιά. Οι αστρονόμοι μπορούν να πουν την ηλικία τους με βάση το φως τους που εκτείνεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, γνωστό ως μετατόπιση στο κόκκινο. Με βάση τις πιο πρόσφατες μετρήσεις, ο γαλαξίας έχει προσδιοριστεί ότι βρίσκεται σε μια μετατόπιση προς το κόκκινο 14,18, που σημαίνει ότι τον βλέπουμε όπως εμφανίστηκε 300 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το σύμπαν ήταν περίπου το 2% της τρέχουσας ηλικίας του.

Αρχικά, οι αστρονόμοι υπέθεσαν ότι τέτοια τεράστια, φωτεινά αντικείμενα στο πολύ πρώιμο σύμπαν δεν συνάδουν με το κυρίαρχο θεωρητικό μοντέλο του σύμπαντος. Αλλά οι άνθρωποι έχουν αποδυναμώσει αυτόν τον ισχυρισμό. Το καλύτερο μοντέλο μας για το σύμπαν – ένα σύνολο εξισώσεων που περιγράφουν την εξέλιξη της ύλης και της ακτινοβολίας μαζί με τη σκοτεινή ενέργεια και τη σκοτεινή ύλη – δεν έχει πεθάνει ακόμα.

«Υπήρχε πολύς ενθουσιασμός» στις πρώτες μέρες του JWST, είπε Alice Shapley Από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες. “Δεν χρειάζεται κάτι τέτοιο. Τα δεδομένα είναι τόσο όμορφα· ας μελετήσουμε απλώς το σύμπαν που έχουμε.”

Οι αστροφυσικοί είναι ενωμένοι γύρω από τρεις θεωρίες που βασίζονται σε αστέρια σχετικά με το πώς οι γαλαξίες μπορούν να αναπτυχθούν τόσο γρήγορα. Θα πίστευε κανείς ότι τα αστέρια κατά τη διάρκεια της κοσμικής αυγής ήταν πολύ διαφορετικά από τα αστέρια σήμερα. Για παράδειγμα, τα αστέρια στο JADES-GS-z14-0 μπορεί να είναι εξαιρετικά φωτεινά, αλλά στην πραγματικότητα δεν είναι πολύ μεγάλα. Αν και αυτό φαίνεται λογικό, είναι επίσης δύσκολο για τους θεωρητικούς μοντελιστές να το αντιμετωπίσουν. Η σχέση μεταξύ της φωτεινότητας ενός αστεριού και της μάζας του είναι μια θεμελιώδης τιμή που εισάγεται στις προσομοιώσεις υπολογιστή. Εάν αυτή η τιμή – γνωστή ως συνάρτηση αρχικής μάζας ή IMF – ήταν διαφορετική στο πρώιμο σύμπαν, οι ερευνητές θα έπρεπε να ξαναγράψουν τις προσομοιώσεις τους για να μπορέσουν να φιλοξενήσουν το ΔΝΤ που αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.

Αλλά η φύση δεν ενδιαφέρεται για τα υπολογιστικά ζητήματα που αντιμετωπίζουμε και ένα μεταβλητό ΔΝΤ είναι καταρχήν ένας από τους πιο εύλογους τρόπους για να κατανοήσουμε αυτό που βλέπουμε. «Το ΔΝΤ είναι πραγματικά ένα σπίτι από χαρτιά πάνω στο οποίο χτίζουμε τα πάντα Υπάρχουν πολλοί λόγοι να πιστεύουμε ότι είναι πολύ διαφορετικό σε πολύ υψηλή μετατόπιση προς το κόκκινο», είπε ο Κέισι.

Μια άλλη θεωρία είναι ότι οι πρώιμοι, υπερφωτεινοί γαλαξίες υφίσταντο μανιασμένες εκρήξεις σχηματισμού άστρων. Κατά τη διάρκεια των 10 εκατομμυρίων ή 100 εκατομμυρίων ετών, η φωτεινότητα ενός γαλαξία μπορεί να αλλάξει κατά 100 φορές καθώς ο σχηματισμός των άστρων αυξάνεται προς τα πάνω και προς τα κάτω. Αυτό είναι σαν ένα κερί που μετατρέπεται σε προβολέα μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Σχετικά, κατά τη διάρκεια αυτών των πολυάσχολων περιόδων, οι εκρήξεις σουπερνόβα μπορεί να έκαναν τα πράγματα να φαίνονται πιο φωτεινά από ό,τι θα έκαναν διαφορετικά.

Η τρίτη θεωρία δείχνει ότι η διαδικασία σχηματισμού αστεριών ήταν πιο αποτελεσματική εκείνη την εποχή από ό,τι είναι τώρα. Σε έναν τυπικό γαλαξία σήμερα, ένα μικρό κλάσμα του αερίου διαμορφώνεται σε αστέρια. Ο γαλαξίας Milky Way δημιουργεί από δύο έως έξι αστέρια στο μέγεθος του ήλιου ετησίως. Αλλά η μικρότητα και το συμπαγές του πρώιμου σύμπαντος μπορεί να το έκαναν καλύτερο εργοστάσιο αστεριών. Μερικοί υπολογισμοί βάζουν τη μετατροπή αερίου σε αστέρι σχεδόν στο 100%, που σημαίνει γρήγορη και έξαλλος γέννηση αστεριών. Pratika Dayal Από το Πανεπιστήμιο του Groningen στην Ολλανδία.

Όλες αυτές οι αλλαγές στην τρέχουσα θεωρία συνοδεύονται από παρενέργειες, όπως αλλαγές στο πόση σκόνη πρέπει να υπάρχει και μυστήρια σχετικά με το πώς αυτά τα υπέροχα baby boom σταθεροποιούνται. Και δεν είναι καν οι μόνες ιδέες εκεί έξω. Αντρέα ΦεράραΈνας κοσμολόγος στο Scuola Normale Superiore στην Πίζα της Ιταλίας έδειξε στους συναδέλφους του στη Σάντα Μπάρμπαρα ένα νέο μοντέλο που επιχειρεί να εξηγήσει τους φωτεινούς πρώιμους γαλαξίες αλλάζοντας την ποσότητα σκόνης μέσα τους, η οποία συνήθως εμποδίζει το φως των αστεριών. Το μοντέλο του υπέθεσε ότι ο αστρικός άνεμος φυσούσε περισσότερη σκόνη. «Η μείωση της μείωσης της σκόνης είναι η αγαπημένη μου υπόθεση, αν και είμαι εντελώς ανοιχτός στις άλλες δύο», είπε στο κοινό. Αλλά αναγνώρισε ότι οι υπολογισμοί του μπορεί να μην αντέξουν σε μια μετατόπιση 14, που σημαίνει ότι μπορεί να μην λειτουργούν για γαλαξίες όπως ο JADES-GS-z14-0.

«Μην ανακαλύπτετε λοιπόν άλλους γαλαξίες», κατέληξε γελώντας.

Μεγάλες μαύρες τρύπες

Οι θεωρίες για τα αστέρια δεν είναι οι μόνες ιδέες. Μερικοί αστροφυσικοί επισημαίνουν ενεργές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, οι οποίες λένε ότι μπορεί να θερμαίνουν το περιβάλλον αέριο και να κάνουν γαλαξίες όπως ο JADES-GS-z14-0 να φαίνονται εξαιρετικά φωτεινοί.

Σε μια σειρά εγγράφων που δημοσιεύθηκαν τον Μάιο, η ομάδα JADES είπε ότι ο γαλαξίας είναι γεμάτος αστέρια και ότι η φωτεινότητά τους δεν μπορεί να εξηγηθεί από τις μαύρες τρύπες. Αλλά άλλοι γαλαξίες έχουν τόσο σκοτεινές καρδιές. Γνωρίζουμε ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που ζυγίζουν εκατοντάδες εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια Ήλιους αγκυροβολούν τα κέντρα των νεαρών γαλαξιών. Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb βλέπει μουντζούρα φως από πολλούς πρώιμους γαλαξίες, Υποδεικνύοντας Και το αέριό τους αιωρείται επίσης από μια κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Πώς έφτασαν εκεί οι μεγάλες μαύρες τρύπες;

Δεδομένου ότι οι μαύρες τρύπες είχαν προβλεφθεί για πρώτη φορά ως αποτέλεσμα της θεωρίας της βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, οι αστροφυσικοί έχουν οραματιστεί πώς θα μπορούσαν να σχηματιστούν από την εσωτερική βαρυτική κατάρρευση των αστεριών που πεθαίνουν. Τώρα ξέρουν ότι το σύμπαν είναι γεμάτο από μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν με αυτόν τον τρόπο. Αλλά οι κοσμολόγοι δυσκολεύονται να κατανοήσουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Κάπως έτσι, αυτές οι μαύρες τρύπες μεγάλωσαν αρκετά και αρκετά γρήγορα, ώστε να σχηματίσουν τους γαλαξίες που σχηματίστηκαν γύρω τους. Αν είχαν ξεκινήσει ως αστέρια που κατέρρευσαν, θα είχαν αναπτυχθεί με εκπληκτικούς ρυθμούς που αψηφούν τη φυσική εξήγηση.