Teleskop Webba kontra znana nam kosmologia. Wysadzanie Wszechświata w powietrze
Pierwsze zaskakujące doniesienia o odkryciu w danych napływających z JWST niezwykle wczesnych galaktyk, pojawiły się już w lipcu 2022 r., czyli zaraz po uroczystej, oficjalnej inauguracji tego kosmicznego obserwatorium (2). Naukowcy, którzy mówią, że tego się nie spodziewali, prawdopodobnie nie mówią całej prawdy, która brzmi raczej tak, że po cichu na to liczyli. Gdy zaczęli w danych obserwacyjnych odkrywać liczne galaktyki, których wiek, rozmiar i jasność przekraczały najśmielsze oczekiwania, zapanowało w świecie astronomii i kosmologii wielkie podniecenie. W kolejnych miesiącach miało się wrażenie, że z każdym kolejnym dniem napływają doniesienia rekordowej "najwcześniejszej znanej galaktyce".
z 11 lipca - ukazuje szereg odległych galaktyk
Po serii rewelacji o zaskakująco "dojrzałych" i rekordowo "wczesnych" galaktykach odkrywanych przez Teleskop Webba, wśród teoretyków zapanowała konsternacja, choć w pierwszym odruchu był przede wszystkim sceptycyzm. Czy te anomalnie duże i jasne, wczesne galaktyki nie są przypadkiem, wynikiem jakichś błędów w analizie wstępnych danych? A jeśli są prawdziwe, czy jednak nie da się ich wyjaśnić za pomocą standardowych modeli kosmologicznych? A może jednak to wskazówki, że Wszechświat jest bardziej złożony, niż zakładały to nawet nasze najśmielsze teorie?
Wielu badaczy jest zdania, że to dobrze, że powstało takie zamieszanie z powodu pierwszych obserwacji JWST. "Budujemy takie maszyny nie po to, by potwierdzić paradygmat, ale by go złamać", mówił w jednym z wystąpień Mark McCaughrean, doradca ds. nauki i eksploracji w Europejskiej Agencji Kosmicznej. "Nie wiadomo tylko, do czego doprowadzi to łamanie paradygmatu".
Drogi Mleczne tuz po Wielkim Wybuchu
Potrzeba budowy takiego teleskopu jak JWST stała się dobrze widoczna już w 1995 roku, kiedy astronomowie skierowali teleskop Hubble’a na pozornie pusty skrawek nieba. Powstały w ciągu tamtej obserwacji obraz, zwany Głęboki Polem Hubble’a, pokazał, że "puste" miejsce było w rzeczywistości wypełnione tysiącami galaktyk, o wieku do nawet 12 miliardów lat. Okazało się, iż wczesny Wszechświat był bardziej zatłoczony i ekscytujący, niż się spodziewano. Astronomowie chcieli zobaczyć więcej i… wejrzeć głębiej w owo "głębokie pole".
W lipcu 2022 roku, gdy teleskop Webba dotarł do miejsca przeznaczenia a jego instrumenty zostały przetestowane, mógł rozpocząć się długo oczekiwany pierwszy rok obserwacji naukowych, znany jako Cykl 1. Jedne z najważniejszych programów realizowanych w tym cyklu to: CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science Survey) i GLASS (Grism Lens-Amplified Survey from Space), skupione były na poszukiwaniu odległych obiektów we wczesnych Wszechświecie.
Ku zaskoczeniu (względnym, jak wspominaliśmy) astronomów, natłok wczesnych i jeszcze wcześniejszych galaktyk, pojawił się właściwie natychmiast. Rekordem Hubble’a, jeśli chodzi o obserwację najodleglejszej znanej galaktyki, była GN-z11, dostrzeżona w 2015 roku przy przesunięciu ku czerwieni 11. Przesunięcie ku czerwieni 11 odpowiada wiekowi kosmicznemu około 400 milionów lat, czyli punktowi granicznemu, w którym, jak sądzono, rozpoczęło się naszym Wszechświecie formowanie galaktyk. Już na podstawie pierwszych danych z programu obserwacji JWST GLASS, dwa zespoły niezależnie od siebie znalazły kandydata na bardziej odległą galaktykę, nazwaną GLASS-z13, o przesunięciu ku czerwieni 13, co oznacza wiek starszy o około 70 milionów lat. W dodatku dane obserwacyjne sugerowały galaktykę nadspodziewanie jasną i dużą, z masą gwiazd rzędu miliarda, zaledwie kilkaset razy mniejszą niż Droga Mleczna, pomimo tego, że nasza własna galaktyka jest miliardy lat starsza.
Rekord ten nie utrzymał się długo. W ciągu następnych dni pojawiły się dziesiątki galaktyk pochodzących z obserwacji w ramach CEERS i GLASS z przesunięciem ku czerwieni szacowanym nawet na 20, co oznaczałoby ich istnienie zaledwie 180 milionów lat po wielkim wybuchu. Niektóre z nich wydają się mieć struktury dyskowe, które nie powinny były pojawić się tak wcześnie. Inny zespół znalazł dowody na istnienie galaktyki o rozmiarach naszej Drogi Mlecznej przy przesunięciu ku czerwieni 10, mniej niż 500 milionów lat po wielkim wybuchu. Giganty tak wczesne przeczą oczekiwaniom standardowego modelu ewolucji Wszechświata. Model ten, znany pod nazwą Lambda CDM, zawiera zara-zem najbardziej precyzyjne jakie mamy szacunki dotyczące właściwości ciemnej energii i ciemnej ma-terii, które wspólnie dominują w powstawaniu wielkoskalowych struktur kosmicznych. Przy nowych obserwacjach znane nam dotychczas modele i teorie przestają się kleić.
Potrzeba nowej teorii?
A co tego modelu nie podważałoby? Na przykład, gdyby Webb wykrył małe protogalaktyczne kawałki materii. Jednak zamiast tego widzimy obiekty, które są już dużymi galaktykami. Astronomowie nie wykluczali początkowo, że niektóre z tych galaktyk mogą oszukiwać, będąc w rzeczywistości znacznie bliższymi obiektami spowitymi pyłem, który sprawiałby, że wyglądają na ciemniejsze i bardziej odległe, gdy używane są obserwacje oparte na jasności. Jednak obserwacje uzupełniające GLASS-z13 w sierpniu 2022 r., prze-prowadzone przez Atacama Large Millimeter Array (ALMA) w Chile sugerują, że przynajmniej w przypadku tego akurat obiektu, ponieważ ALMA nie dostrzegła dowodów na duże ilości pyłu wokół galaktyki.
Czy oznacza to, że model kosmologiczny Lambda CDM jest błędny i wymaga rewizji? Anomalie są na tyle wyraźne, wielu badaczy uważa, że logicznie taka musiałaby być konsekwencja. Niektórzy przypominają o alternatywnej teorii Wszechświata opartej na zmodyfikowanej dynamice newtonowskiej (MOND), która zakłada, że ciemna materia nie istnieje, a to co przypisujemy jej oddziaływaniu może być zamiast tego wyjaśnione przez wielkoskalowe fluktuacje grawitacyjne. Jeśli dalej tak pójdzie, to JWST a dokładniej mówiąc jego obserwacje, stałyby się katalizatorem dla nowej teorii i modelu rozwoju Wszechświata.
Są jednak skromniejsze hipotezy co do sensacyjnych obserwacji Teleskopu Webba. Jedna z nich głosi, że galaktyki we wczesnym Wszechświecie mogły mieć mało lub wcale nie mieć pyłu, przez co wydawały/wydają się jaśniejsze. Inna teoria głosi, że być może we wczesnym Wszechświecie istniał jakichś mechanizm, który sprawiał, że gwiazdy powstawały łatwiej w galaktykach niż poza nimi. Być może nawet pola magnetyczne powstały wcześniej niż sądziliśmy, odgrywając kluczową rolę w gromadzeniu materiału do tworzenia gwiazd. Być może widzimy sygnaturę pól magnetycznych pojawiających się bardzo wcześnie w historii Wszechświat, argumentują niektórzy.
Zdaniem innych sceptyków, należy się wstrzymać z jakimikolwiek daleko idącymi wnioskami, gdyż większość wcześnie publikowanych wyników obserwacji i hipotez, nie została poddana należytej weryfikacji, zaś publikacje, które się ukazały, nie są zrecenzowane zgodnie ze standardami naukowymi. Część naukowców przypomina wczesne problemy z kalibracją JWST, które mogły mieć wpływ na niektóre wyniki. Nathan Adams z zespołem z Uniwersytetu w Manchesterze, w Wielkiej Brytanii ogłosił, że wskutek zmian w kalibracji mogły nastąpić dramatyczne zmiany w wynikach - jedna z galaktyk o wstępnym przesunięciu ku czerwieni 20,4 została po przekalibrowaniu "zdegradowana" do wartości zaledwie 0,7. "Musimy się trochę uspokoić", powiedział w jednym z wywiadów prasowych Adams. "Jest trochę za wcześnie, by mówić, że wysadziliśmy w powietrze Wszechświat".
Skutkiem sensacyjnie brzmiących doniesień, szumu informacyjnego i kontrowersji co do wyników, jest teraz długa kolejka zespołów badawczych zgłaszających wnioski o przyznanie dodatkowego czasu obserwacyjnego Teleskopu Webba. Większość z nich dotyczy obserwacji wczesnych galaktyk. A JWST, niezależnie od pachnących naukowymi sensacjami danych dostarcza nam coraz lepszych i coraz dokładniejszych obrazów tego, co już wiedzieliśmy (3), a przynajmniej tak nam się wydawało.
i nowej wersji uzyskanej z Webba, po prawej
Mirosław Usidus
