The Telescopul spațial James Webb (JWST) este cel mai mare și mai puternic telescop spațial construit până în prezent. De când a fost lansat în decembrie 2021, a oferit informații inovatoare. Acestea includ descoperirea cele mai vechi și mai îndepărtate galaxii cunoscutecare a existat la doar 300 de milioane de ani după Big bang.
Obiectele îndepărtate sunt, de asemenea, foarte vechi, deoarece este nevoie de mult timp pentru ca lumina de la aceste obiecte să ajungă la telescoape. JWST a găsit acum un număr dintre aceste galaxii foarte timpurii. Privim efectiv înapoi în timp la aceste obiecte, văzându-le așa cum arătau la scurt timp după nașterea universului.
Aceste observații de la JWST sunt de acord cu înțelegerea noastră actuală cosmologie — disciplina științifică care își propune să explice universul — și a formării galaxiilor. Dar ele dezvăluie și aspecte la care nu ne așteptam. Multe dintre aceste galaxii timpurii strălucește mult mai puternic decât ne-am aștepta având în vedere că au existat la scurt timp după Big Bang.
Se crede că galaxiile mai luminoase au mai multe stele și mai multă masă. Se credea că este nevoie de mult mai mult timp pentru ca acest nivel de formare a stelelor să aibă loc. Aceste galaxii au, de asemenea, găuri negre în creștere activă în centrele lor – un semn că aceste obiecte s-au maturizat rapid după Big Bang. Deci, cum putem explica aceste descoperiri surprinzătoare? Încalcă ideile noastre despre cosmologie sau necesită o schimbare a vârstei universului?
Oamenii de știință au reușit să studieze aceste galaxii timpurii combinând imaginile detaliate ale JWST cu capabilitățile sale puternice pentru spectroscopie. Spectroscopia este o metodă de interpretare a radiatii electromagnetice care este emisă sau absorbită de obiectele din spațiu. Aceasta, la rândul său, vă poate spune despre proprietățile unui obiect.
Înțelegerea noastră despre cosmologie și formarea galaxiilor se bazează pe câteva idei fundamentale. Unul dintre acestea este principiul cosmologic, care afirmă că, pe scară largă, universul este omogen (la fel peste tot) și izotrop (același în toate direcțiile). Combinat cu cel al lui Einstein teoria relativității generaleacest principiu ne permite să conectăm evoluția universului — cum se extinde sau se contractă — cu conținutul său de energie și masă.
Modelul cosmologic standard, cunoscut sub numele de teoria „Hot Big Bang”, include trei componente principale, sau ingrediente. Una este materia obișnuită pe care o putem vedea cu ochii în galaxii, stele și planete. Un al doilea ingredient este materia întunecată rece (CDM), particule de materie care se mișcă lentă care nu emit, nu absorb sau reflectă lumina.
A treia componentă este ceea ce este cunoscută constanta cosmologică (Λ, sau lambda). Aceasta este legată de ceva numit energie întunecată și este o modalitate de a explica faptul că expansiunea universului se accelerează. Împreună, aceste componente formează ceea ce se numește Modelul ΛCDM a cosmologiei.
Energie întunecată reprezintă aproximativ 68% din conținutul total de energie al universului de astăzi.
În ciuda faptului că nu este direct observabilă cu instrumente științifice, se crede că materia întunecată reprezintă cea mai mare parte a materiei din cosmos și cuprinde aproximativ 27% din masa totală și conținutul de energie al universului.
În timp ce materia întunecată și energia întunecată rămân misterioase, modelul ΛCDM al cosmologiei este susținut de o gamă largă de observații detaliate. Acestea includ măsurarea expansiunii universului, a fundal cosmic cu microunde sau CMB („strălucirea” Big Bang) și dezvoltarea galaxiilor și distribuția lor pe scară largă – de exemplu, modul în care galaxiile se grupează.
Modelul ΛCDM pune bazele pentru înțelegerea noastră a modului în care se formează și evoluează galaxiile. De exemplu, CMB, care a fost emis la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang, oferă un instantaneu al fluctuațiilor timpurii ale densității care au avut loc în universul timpuriu. Aceste fluctuații, în special în materia întunecată, s-au dezvoltat în cele din urmă în structurile pe care le observăm astăzi, cum ar fi galaxiile și stelele.
Cum se formează stelele
Formarea galaxiei constă din procese complexe influențate de numeroase fenomene fizice diferite. Unele dintre aceste mecanisme nu sunt pe deplin înțelese, cum ar fi ce procese guvernează modul în care gazul din galaxii se răcește și se condensează pentru a forma stele.
Efectele supernovelor, vânturilor stelare și găurilor negre care emit cantități semnificative de energie (uneori numite nuclee galactice active sau AGN) toate pot încălzi sau expulza gaz din galaxii. Aceasta, la rândul său, poate stimula sau reduce formarea stelelor și, prin urmare, poate influența creșterea galaxiilor.
Eficiența și amploarea acestor „procese de feedback”, precum și impactul lor cumulativ în timp, sunt puțin înțelese. Ele sunt o sursă semnificativă de incertitudine în modelele matematice sau simulări ale formării galaxiilor.
În ultimii zece ani s-au făcut progrese semnificative în simulările numerice complexe ale formării galaxiilor. Perspective și indicii pot fi încă obținute din simulări și modele mai simple care leagă formarea stelelor cu evoluția halourilor de materie întunecată. Aceste halouri sunt structuri masive, invizibile, făcute din materie întunecată, care ancorează efectiv galaxiile în interiorul lor.
Unul dintre modelele mai simple de formare a galaxiilor presupune că rata cu care se formează stelele într-o galaxie este direct legată de gazul care curge în acele galaxii. Acest model propune, de asemenea, că rata de formare a stelelor într-o galaxie este proporțională cu viteza cu care cresc halourile de materie întunecată. Presupune o eficiență fixă la transformarea gazului în stele, indiferent de timpul cosmic.
Acest modelul „eficienței formării constante a stelelor”. este în concordanță cu formarea stelelor în creștere dramatică în primul miliard de ani după Big Bang. Creșterea rapidă a halourilor de materie întunecată în această perioadă ar fi asigurat condițiile necesare pentru ca galaxiile să formeze stele în mod eficient. În ciuda simplității sale, acest model a prezis cu succes o gamă largă de observații reale, inclusiv rata generală de formare a stelelor în timpul cosmic.
Secretele primelor galaxii
JWST a inaugurat o nouă eră a descoperirilor. Cu instrumentele sale avansate, telescopul spațial poate capta atât imagini detaliate, cât și spectre de înaltă rezoluție – diagrame care arată intensitatea radiației electromagnetice emise sau absorbite de obiectele de pe cer. Pentru JWST, aceste spectre sunt în regiunea infraroșu apropiat a spectrului electromagnetic. Studierea acestei regiuni este crucială pentru observarea galaxiilor timpurii a căror lumină optică s-a transformat în infraroșu apropiat (sau „deplasată spre roșu”) pe măsură ce universul s-a extins.
Redshift descrie modul în care lungimile de undă ale luminii galaxiilor devin întinse pe măsură ce călătoresc. Cu cât o galaxie este mai îndepărtată, cu atât deplasarea ei spre roșu este mai mare.
În ultimii doi ani, JWST a identificat și caracterizat galaxii cu deplasări spre roșu cu valori cuprinse între zece și 15. Acestea galaxiicare s-au format la aproximativ 200-500 de milioane de ani după Big Bang, sunt relativ mici pentru galaxii (aproximativ 100 de parsecs, sau 3 cvadrilioane de kilometri). Fiecare este format din aproximativ 100 de milioane de stele și formează stele noi cu o rată de aproximativ o stea asemănătoare soarelui pe an.
Deși acest lucru nu sună foarte impresionant, înseamnă că aceste sisteme își dublează conținutul de stele în doar 100 de milioane de ani. Pentru comparație, a noastră Calea lactee galaxiei are nevoie de aproximativ 25 de miliarde de ani pentru a-și dubla masa stelară.
Formarea timpurie a galaxiilor
Descoperirile surprinzătoare de la JWST despre galaxii luminoase la deplasări mari spre roșu, sau la distanțe mari, ar putea implica că aceste galaxii s-au maturizat mai repede decât se aștepta după Big Bang. Acest lucru este important deoarece ar provoca modelele existente de formare a galaxiilor. Modelul de eficiență constantă a formării stelelor descris mai sus, deși eficient în explicarea mult din ceea ce vedem, se străduiește să țină seama de numărul mare de galaxii luminoase și îndepărtate observate cu o deplasare spre roșu de peste zece cu o deplasare spre roșu de mai mult de zece.
Pentru a rezolva acest lucru, oamenii de știință explorează diverse posibilități. Acestea includ modificări ale teoriilor lor cu privire la cât de eficient gazul este convertit în stele în timp. De asemenea, ei reconsideră importanța relativă a proceselor de feedback – modul în care fenomene precum supernovele și găurile negre ajută, de asemenea, la reglarea formării stelelor.
Unele teorii sugerează că formarea stelelor în universul timpuriu ar fi putut fi mai intensă sau „în rafală” decât se credea anterior, ceea ce duce la creștere rapidă a acestor galaxii timpurii și luminozitatea lor aparentă.
Alții propun că diferiți factori, cum ar fi cantități mai mici de praf galactic, o distribuție puternică a maselor stelelor sau contribuțiile unor fenomene precum găurile negre active, ar putea fi responsabili pentru luminozitatea neașteptată a acestor galaxii timpurii.
Aceste explicații invocă schimbări în fizica formării galaxiilor pentru a explica descoperirile lui JWST. Dar oamenii de știință au luat în considerare și modificări ale teoriilor cosmologice largi. De exemplu, abundența galaxiilor timpurii, strălucitoare, ar putea fi parțial explicată printr-o schimbare a ceva numit spectrul puterii materiei. Acesta este un mod de a descrie diferențele de densitate din univers.
Un posibil mecanism pentru realizarea acestei schimbări în spectrul puterii materiei este un fenomen teoretic numit „energie întunecată timpurie”. Aceasta este ideea că o nouă sursă de energie cosmologică cu asemănări cu energia întunecată ar fi putut exista în vremuri timpurii, la o deplasare spre roșu de 3.000. Asta înainte ca CMB să fie emis și la doar 380.000 de ani după Big Bang.
Această energie întunecată timpurie ar fi decăzut rapid după stadiul de evoluție a universului cunoscut sub numele de recombinare. În mod intrigant, energia întunecată timpurie ar putea, de asemenea, atenua tensiunea Hubble — o discrepanță între diferitele estimări ale vârsta universului.
O lucrare publicată în 2023 a sugerat că descoperirile galaxiilor de la JWST au cerut oamenilor de știință să prelungească vârsta universului cu câteva miliarde de ani.
Cu toate acestea, alte fenomene ar putea explica galaxiile luminoase. Înainte ca observațiile lui JWST să fie folosite pentru a invoca schimbări la ideile largi de cosmologie, o înțelegere mai detaliată a proceselor fizice din galaxii este esențială.
Actualul deținător al recordului pentru cea mai îndepărtată galaxie – identificat de JWST – este numit JADES-GS-z14-0. Datele adunate până acum indică faptul că aceste galaxii au o mare diversitate de proprietăți diferite.
Vizualizarea 3D a galaxiilor observate de J WST, inclusiv JADES-GS-z14-0.
Unele galaxii prezintă semne că găzduiesc găuri negre care emit energie, în timp ce altele par să fie în concordanță cu găzduirea populațiilor tinere de stele fără praf. Deoarece aceste galaxii sunt slabe și observarea lor este costisitoare (este nevoie de timpi de expunere de multe ore), doar 20 de galaxii pentru care deplasarea spre roșu este mai mare de zece au fost observate până în prezent cu spectroscopie și va dura ani pentru a construi un eșantion statistic.
Un unghi diferit de atac ar putea fi observațiile galaxiilor în vremuri cosmice ulterioare, când universul avea 1 miliard până la 2 miliarde de ani (deplasări către roșu între trei și nouă). Capacitățile JWST le oferă cercetătorilor acces la indicatori cruciali de la stele și gaz din aceste obiecte care pot fi folosiți pentru a constrânge istoria generală a formării galaxiilor.
Spărgând universul?
În primul an de funcționare a JWST, s-a susținut că unele dintre cele mai timpurii galaxii aveau mase stelare extrem de mari (masele de stele conținute în ele) și era necesară o schimbare a cosmologiei pentru a găzdui galaxiile strălucitoare care existau în universul foarte timpuriu. Au fost chiar dublați galaxii „spărgătoare de universuri”..
Curând după aceea, a fost clar că aceste galaxii nu sparg universul, dar proprietățile lor pot fi explicate printr-o serie de fenomene diferite. Date observaționale mai bune au arătat că distanțele până la unele dintre obiecte au fost supraestimate (ceea ce a condus la o supraestimare a maselor lor stelare).
Emisia de lumină din aceste galaxii poate fi alimentată de alte surse decât stelele, cum ar fi găurile negre care se acumulează. Ipotezele din modele sau simulări pot duce, de asemenea, la părtiniri ale masei totale a stelelor din aceste galaxii.
Pe măsură ce JWST își continuă misiunea, îi va ajuta pe oamenii de știință să-și perfecționeze modelele și să răspundă la unele dintre cele mai fundamentale întrebări despre originile noastre cosmice. Ar trebui să dezvăluie și mai multe secrete despre primele zile ale universului, inclusiv puzzle-ul acestor galaxii strălucitoare și îndepărtate.
Acest articol editat este republicat din Conversația sub o licență Creative Commons. Citiți articol original.