
De când a început să trimită date înapoi pe Pământ în 2022, Telescopul spațial James Webb (JWST) a avut un impact mare asupra astronomiei, iar una dintre cele mai revoluționare realizări ale sale este observarea unora dintre cele mai îndepărtate galaxii văzute vreodată. Cu toate acestea, pentru că lumina nu călătorește instantaneu – ci mai degrabă se mișcă cu aproximativ 300 de milioane de metri (985 de milioane de picioare) pe secundă în vid – nu vedem acele galaxii așa cum sunt astăzi, ci așa cum erau cu miliarde de ani în urmă.
Mai mult, universul nostru este estimat a fi 13,8 miliarde de ani. Deci, ar trebui să presupunem că cea mai îndepărtată galaxie pe care am putea spera vreodată să o vedem nu se află la mai mult de 13,8 miliarde de ani lumină distanță. (Un an-lumină este distanța pe care o parcurge lumina într-un an). Acest punct ar trebui să fie un fel de „orizont cosmologic” – dincolo de care niciun telescop nu ar trebui să poată vedea. Și, pentru că nimic nu poate călători prin spațiu mai repede decât c, asta înseamnă că nu ar trebui să existe o galaxie la mai mult de 13,8 miliarde de ani lumină distanță, iar distanțarea tot timpul ar putea afecta. Pământ. Dreapta?
Gresit. Dacă universul ar fi atât de simplu.
„Un orizont cosmologic este o distanță maximă de la care s-ar putea recupera informații”, a declarat pentru Space.com Jake Helton, un astronom de la Universitatea din Arizona, care face parte și din echipa JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).
„Există câteva orizonturi cosmologice diferite”, a continuat Helton, „care au definiții diferite și depind de diferite cantități cosmologice. Cel mai relevant aici este orizontul cosmologic, care este distanța maximă de la care lumina ar fi putut călători până la noi în vârsta universe. Aceasta definește marginea cosmosului observabil.”
În martie 2024, oamenii de știință JADES au dezvăluit că puternicul telescop a observat JADES-GS-z14-0, cea mai îndepărtată și timpurie galaxie pe care umanitatea a văzut-o vreodată. Paradoxul este însă că JADES-GS-z14-0 este situat la aproximativ 33,8 miliarde de ani lumină distanță.
Cum putem vedea lumina de la un obiect atât de îndepărtat încât universul nu este suficient de vechi pentru a fi permis să ajungă la noi? Poziția lui JADES-GS-z14-0, la 33,8 miliarde de ani lumină distanță, nu înseamnă că o vedem așa cum a fost acum 33,8 miliarde de ani, ceva care ar contesta cu siguranță estimarea vârstei universului?
Nu asa. Din nou, aceasta este o dovadă că universul are o modalitate de a întoarce concluziile sensibile și logice asupra lor.
„Cum poate fi observată vreodată o galaxie îndepărtată precum JADES-GS-z14-0, din moment ce se află la mai mult de 13,8 miliarde de ani lumină de noi și se pare că lumina ei ar fi luat mai mult timp decât vârsta universului pentru a ajunge la noi?” întrebă Helton retoric. „Răspunsul este expansiunea universului.”
Văzând o galaxie mai veche decât timpul însuși
Dacă universul ar rămâne nemișcat, atunci lumina dintr-o galaxie aflată la 33,8 miliarde de ani lumină distanță ar dura 33,8 miliarde de ani să ajungă la noi și asta ar fi atât. Dar, la începutul anilor 1900, Edwin Hubble a descoperit că galaxiile îndepărtate păreau să se îndepărteze unele de altele și, cu cât erau mai îndepărtate, cu atât mergeau mai repede. Cu alte cuvinte, universul nu este static; se extinde.
Acest lucru s-a complicat și mai mult în 1998, pe măsură ce secolul al XX-lea se apropia de final, când două echipe separate de astronomi au observat că nu numai că universul se extinde, dar și că expansiunea se accelerează. Forța responsabilă este un mister, dar i s-a dat numele de substituent „energie întunecată.”
Există două perioade majore și distincte de expansiune de-a lungul istoriei de 13,8 miliarde de ani a universului. Prima este o perioadă inițială de inflație cosmică rapidă, care este acum numită „Big bang.”
În această epocă inflaționistă, volumul cosmosului a crescut cu un factor de 10^26 (10 urmat de 25 de zerouri). Acest lucru este echivalent cu trecerea unghiei tale de la o creștere de 1 nanometru pe secundă la o creștere bruscă de 10,6 ani lumină (62 trilioane de mile) lungime. În acest moment, universul era dominat de energie, iar această perioadă este cunoscută sub numele de epoca dominată de energie.
Aceasta a fost urmată de o epocă dominată de materie, care a început la 47.000 de ani după Big Bang. În cele din urmă, expansiunea universală a permis cosmosului să se răcească suficient pentru a permite se formează protoni din quarci și gluoniiar apoi protonii se leagă de electroni pentru a forma primii atomi de hidrogen, care a format primele stele și galaxii. În această perioadă, expansiunea universului condusă de Big-Bang a încetinit până la o oprire aproape.
Epoca dominată de materie a ajuns la un sfârșit surprinzător când universul avea puțin sub 10 miliarde de ani. În acest moment, universul a început brusc să se extindă rapid din nou. În plus, această expansiune a devenit din ce în ce mai rapidă și chiar continuă să se accelereze astăzi. Această a treia perioadă semnificativă a universului este numită epoca dominată de energia întunecată. Este epoca în care ne aflăm în prezent.
Datorită acestor perioade de expansiune a universului, lumina de la JADES-GS-z14-0 a călătorit de fapt către JWST și Pământ doar de 13,5 miliarde de ani, în ciuda faptului că sursa sa este acum mult mai îndepărtată de 13,5 miliarde de ani lumină distanță. . Asta înseamnă că JWST vede JADES-GS-z14-0 așa cum a fost la 300 de milioane de ani după Big Bang. Fără expansiunea universului, JADES-GS-z14-0 ar fi încă la aproximativ 13,5 miliarde de ani lumină distanță, deși ar fi experimentat totuși mișcări locale mai mici care l-ar fi putut apropia sau mai departe de galaxiile din apropiere. Dar o astfel de mișcare galactică nu ar fi fost nici pe departe de genul cauzat de expansiunea universului.
Potrivit lui Helton, orizontul cosmologic, sau „Orizont fotonic”, este o sferă cu o limită la aproximativ 46,1 miliarde de ani lumină distanță, o cifră dictată de expansiunea universului. Acesta este orizontul real dincolo de care nu ar trebui să putem „vedea” o galaxie. Galaxia JADES-GS-z14-0 se află într-adevăr în acel orizont.
Pentru a evita confuzia, astronomii folosesc de fapt două scale de măsurare a distanței: o distanță de co-mișcare care elimină expansiunea universului ca factor și o distanță adecvată care o include. Aceasta înseamnă că distanța de co-mișcare a lui JADES-GS-z14-0 este de 13,5 miliarde de ani lumină, în timp ce distanța sa corectă este de 33,8 miliarde de ani lumină.
JADES-GS-z14-0 și alte galaxii îndepărtate și antice nu vor fi întotdeauna vizibile, totuși.
O epocă norocoasă pentru a avea telescopul spațial James Webb
Faptul că JWST poate vedea JADES-GS-z14-0 înseamnă că a fost odată „conectat cauzal” la Pământ și universul nostru local. Cu alte cuvinte, era posibil ca un semnal de la JADES-GS-z14-0 să ajungă la noi în Calea lacteeastfel că o „cauză” în această galaxie care a existat în zorii timpurilor ar putea avea un „efect” în galaxia noastră în această epocă modernă a cosmosului.
„Orice galaxie observabilă trebuie să se afle în orizontul particulelor și trebuie să fi fost conectată cauzal cu noi la un moment dat în istoria universului”, a spus Helton.
Nu mai este cazul, însă. Galaxii precum JADES-GS-z14-0 și celelalte galaxii descoperite de JADES sunt acum atât de îndepărtate și sunt alungate de noi atât de repede, datorită energiei întunecate, încât niciun semnal de la ele trimis astăzi nu ar putea ajunge vreodată la noi. Asta pentru că orizontul fotonic se îndepărtează de noi cu viteza luminii, dar pentru obiectele cu adevărat îndepărtate, spațiul dintre Calea lactee iar acele galaxii se extind mai repede decât viteza luminii. Acest lucru ar putea părea neplauzibil, așa cum Albert Einstein’s teoria a relativitatea specială stabilește viteza luminii ca limită de viteză universală. Cu toate acestea, aceasta este o regulă pentru obiectele cu masă care se mișcă prin spațiu, nu o regulă pentru însăși structura spațiului în sine.
În aproximativ 2 trilioane de ani după ce Pământul și omenirea au dispărut de mult, expansiunea universului înseamnă că, orice specie inteligentă care ne înlocuiește în Calea Lactee (dacă o face vreodată), nu va putea vedea nicio galaxie care există dincolo de grupul nostru local. — care are un diametru de aproximativ 10 milioane de ani lumină.
Este un gând care să încurajeze și înseamnă că omenirea trăiește într-un punct unic din istoria universului în care cele mai îndepărtate galaxii sunt încă în viziunea noastră. Suntem capabili să știm mai multe despre univers și originile sale decât orice viață inteligentă care ne poate urma. Astronomii, inclusiv Helton, intenționează să folosească JWST pentru a exploata pe deplin acest privilegiu cosmic.
„Lucrul cu JWST și colaborarea JADES a fost incredibil”, a spus Helton. „Scrierea de lucrări despre știință cu JWST, precum cea recentă pe JADES-GS-z14-0, a fost cea mai plină de satisfacții și incitante experiență din cariera mea de cercetare.”
Postat inițial pe Space.com.