Od samego początku swojej pracy JWST odkrywa duże ilości ultramasywnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie, co nadal zastanawia astronomów.
Odkąd Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba po raz pierwszy uchwycił widok wczesnego Wszechświata, astronomowie są zaskoczeni obecnością większej liczby „ultramasywnych” galaktyk niż oczekiwano. Według najbardziej powszechnie akceptowanego modelu kosmologicznego, te galaktyki nie powinny być w stanie ewoluować aż do znacznie późniejszego okresu w historii Wszechświata. To wywołało twierdzenia, że model ten wymaga zmiany.
To podważyłoby dziesięciolecia ugruntowanej nauki.
Rozwój obiektów we Wszechświecie jest hierarchiczny, zaczynając od małych i stając się coraz większymi – wyjaśnił Julian Muñoz, adiunkt astronomii na Uniwersytecie Teksańskim w Austin i współautor najnowszej pracy, która testuje zmiany w modelu kosmologicznym. Badanie stwierdza, że rewizja standardowego modelu kosmologicznego nie jest konieczna. Jednak astronomowie mogą być zmuszeni do ponownego przeanalizowania swojej wiedzy na temat powstania i ewolucji pierwszych galaktyk.
Kosmologia zajmuje się badaniem pochodzenia, ewolucji i struktury Wszechświata od Wielkiego Wybuchu do dzisiaj. Najbardziej powszechnie akceptowanym modelem kosmologicznym jest model Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) lub „standardowy model kosmologiczny”. Mimo, że ten model jest dobrze poznany, wiele informacji dotyczących wczesnego Wszechświata pozostaje teoretycznych, ponieważ astronomowie nie byli w stanie go w pełni zaobserwować, jeśli w ogóle.
Kosmiczny Teleskop Hubble'a, wystrzelony w 1990 roku, odegrał kluczową rolę w opracowaniu i udoskonaleniu standardowego modelu kosmologicznego. Teleskop obserwuje Wszechświat w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego oraz w niektórych długościach fal bliskiej podczerwieni. Jednakże, jego zdolności obserwacyjne pozwalają mu lepiej widzieć niektóre obiekty niż inne. Na przykład, Hubble doskonale nadaje się do obserwacji mniejszych galaktyk, które często zawierają większe populacje młodych gwiazd emitujących promieniowanie ultrafioletowe oraz mniej pyłu, który ma tendencję do absorbowania krótszych długości fal.
Wystrzelony pod koniec 2021 roku, JWST stanowi ważne uzupełnienie możliwości Hubble’a. Obserwując w bliskiej i średniej podczerwieni, JWST może wykrywać obiekty niewidoczne dla Hubble’a.
Otwieramy okno na nieznane – powiedział Muñoz. Jesteśmy teraz w stanie przetestować nasze teorie na temat Wszechświata tam, gdzie wcześniej nie mogliśmy.
Krótko po Wielkim Wybuchu Wszechświat nie był idealnie jednorodny. Niewielkie różnice w gęstości miały ogromny wpływ na przyszłą strukturę i ewolucję Wszechświata. Obszary o większej gęstości przyciągały więcej materii z powodu grawitacji, co ostatecznie doprowadziło do powstania większych struktur.
Uzyskanie tak dużych rozmiarów w tak krótkim czasie przez ultramasywne galaktyki obserwowane przez JWST byłyby teoretycznie możliwe tylko wtedy, gdyby więcej obszarów o większej gęstości rozwinęło się zaraz po Wielkim Wybuchu. Wymagałoby to zmiany standardowego modelu kosmologicznego.
Muñoz i zespół przetestowali tę hipotezę.
Wybrali zakres czasu kosmologicznego, dla którego dostępne są zarówno obserwacje JWST, jak i Hubble’a. W tym zakresie zidentyfikowali najbardziej masywne galaktyki dostępne w danych JWST i obliczyli wielkość zmiany wczesnej gęstości Wszechświata, która byłaby potrzebna do ich powstania.
Obliczyli również, ile mniejszych galaktyk powstałoby w wyniku tej hipotetycznej zmiany. Te dodatkowe mniejsze galaktyki zostałyby zaobserwowane przez Hubble’a. Ale to nie jest to, co widzimy – wyjaśnił Muñoz. Nie można zmienić kosmologii na tyle, by wyjaśnić ten problem z obfitością, biorąc pod uwagę, że obserwacje Hubble’a również zostałyby naruszone.
Dlaczego zatem JWST obserwuje tak wiele ultramasywnych galaktyk? Jedną z możliwości jest to, że zawierają one supermasywne czarne dziury. Te czarne dziury mogą podgrzewać pobliski gaz, sprawiając, że galaktyki wydają się jaśniejsze, a tym samym masywniejsze niż są w rzeczywistości. Inna możliwość jest taka, że galaktyki nie znajdują się we wczesnym Wszechświecie, ale wyglądają tak, ponieważ pył sprawia, że ich kolor jest bardziej czerwony niż w innym przypadku. To przesunięcie sprawiłoby, że galaktyki wydają się bardziej odległe niż są w rzeczywistości.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Discovery of Unexpected Ultramassive Galaxies May Not Rewrite Cosmology, But Still Leaves Questions
- Insights from HST into Ultramassive Galaxies and Early-Universe Cosmology
Źródło: University of Texas
Na ilustracji: Widok Wszechświata w podczerwieni zarejestrowany przez JWST. Źródło: NASA, ESA, CSA and STScI
