Słaba „poświata”, która wypełnia wszechświat, od dawna jest jedną z najważniejszych wskazówek wspierających teorię Wielkiego Wybuchu. Mikrofalowe promieniowanie tła kosmicznego nie tylko służy jako „migawka” wczesnego wszechświata, ale także pomaga naukowcom zrozumieć, w jaki sposób powstały pierwsze galaktyki.
Teraz zespół badaczy z uniwersytetów w Bonn, Pradze i Nankinie kwestionuje to, co myśleliśmy, że wiemy. Ich nowe obliczenia sugerują, że siła tego promieniowania tła mogła zostać znacznie przeszacowana. Jeśli ich odkrycia się potwierdzą, może to zmusić naukowców do ponownego przemyślenia niektórych z najbardziej fundamentalnych idei współczesnej kosmologii.
Naukowcy wysuwają hipotezę, że wczesne galaktyki eliptyczne mogą odpowiadać za znaczną część mikrofalowego promieniowania tła, co potencjalnie podważa najbardziej wiarygodne dowody Wielkiego Wybuchu.
Jak powstał Wszechświat
Zgodnie ze standardowym modelem kosmologii, wszechświat rozpoczął się 13,8 miliarda lat temu od Wielkiego Wybuchu. W następujących momentach przestrzeń, czas i materia „eksplodowały”, a wszechświat szybko się rozszerzył. W ciągu pierwszych 380 000 lat Wszechświat również ochłodził się na tyle, że elektrony i protony mogły połączyć się w neutralne atomy wodoru.
Ten kamień milowy pozwolił światłu po raz pierwszy swobodnie podróżować przez przestrzeń, ponieważ fotony nie oddziaływały już stale z materią. Ten moment oznaczał narodziny kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, pierwotnego światła wszechświata, które nadal można wykryć.
Możemy nadal obserwować to promieniowanie za pomocą niezwykle czułych teleskopów. Ponieważ dociera ono do nas od prawie 13,8 miliarda lat, daje nam wgląd w narodziny i pierwsze kilka godzin istnienia wszechświata.
„Według naszych obliczeń może się jednak okazać, że to promieniowanie tła w ogóle nie istnieje” — wyjaśnia prof. dr Pavel Kroupa z Instytutu Fizyki Promieniowania i Jądrowej Helmholtza na Uniwersytecie w Bonn i Uniwersytecie Karola w Pradze. „W najlepszym razie jesteśmy przekonani, że jego siła została znacznie przeceniona”.
Ogromna galaktyka eliptyczna ESO 325-G004 – świeciła 10 000 razy jaśniej, gdy się formowała, niż świeci dziś. Tego typu galaktyki na krótko rozświetliły cały wszechświat – i przyczyniły się do promieniowania tła, które możemy mierzyć dzisiaj. Źródło: NASA, ESA i The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); J. Blakeslee (Washington State University)
Galaktyki eliptyczne kluczem do zagadki
Naukowcy zbadali szczególną grupę galaktyk zwanych galaktykami eliptycznymi.
„Wszechświat rozszerza się od Wielkiego Wybuchu, niczym ciasto, które rośnie” — mówi Kroupa. „Oznacza to, że odległość między galaktykami stale rośnie. Zmierzyliśmy, jak daleko od siebie znajdują się obecnie galaktyki eliptyczne. „Wykorzystując te dane i biorąc pod uwagę cechy tej grupy galaktyk, byliśmy w stanie wykorzystać prędkość ekspansji, aby określić, kiedy powstały po raz pierwszy”.
Już wcześniej wiadomo było, że galaktyki eliptyczne były pierwszymi galaktykami, które powstały w młodym wszechświecie. Ogromne ilości gazu zgromadziły się, dając początek setkom miliardów gwiazd tworzących te galaktyki.
„Nasze wyniki pokazują teraz, że cały ten proces trwał tylko kilkaset milionów lat — co jest stosunkowo krótkim czasem w kosmologicznej skali czasu” — podkreśla dr Gjergo. „W tym czasie reakcje jądrowe w tych rozpalonych gwiazdach były intensywnie jasne”.
Gjergo i Kroupa obliczyli moc promieniowania tych pierwszych gwiazd. Musiały płonąć tak jasno, że nadal jesteśmy w stanie je wykryć.
„Nasze obliczenia wskazują, że część kosmicznego promieniowania tła faktycznie pochodzi z formowania się galaktyk eliptycznych” — mówi Gjergo. „To stanowi co najmniej 1,4% promieniowania, ale może nawet odpowiadać za całość”.
Promieniowanie tła mikrofalowego to słabe fale radiowe świecące w całej przestrzeni, emitowane z prędkością 45 700 milionów lat świetlnych. Najstarsze wykrywalne promieniowanie emitowane 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Kiedy wszechświat ostygł na tyle, że protony i elektrony połączyły się w neutralne atomy wodoru, rozpraszanie ustało i światło mogło się rozprzestrzeniać. Jego długość fali została rozciągnięta wraz z ekspansją przestrzeni, zmieniając kolor z pomarańczowo-białego przechodząc przez podczerwień i kończąc na obszarze mikrofalowym widma radiowego. Prawie izotropowe, niezwiązane z żadną gwiazdą, galaktyką lub innym obiektem. Wykluczywszy, że ten blask pochodzi z Ziemi, z lokalnego lub rozciągniętego pyłu lub gazu, lub z odległych gwiazd, CMB jest przełomowym dowodem na to, że wszechświat powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu. Źródło: Wikimedia Commons. Autor: Pablo Carlos Budassi
Konsekwencje dla modelu standardowego
Nawet jeśli stanowi to zaledwie 1,4%, prawdopodobnie miałoby to ogromne konsekwencje dla modelu standardowego. Pomiary przeprowadzone w ciągu ostatnich kilku dekad wykazały, że promieniowanie tła nie jest całkowicie jednorodne. Zamiast tego występują bardzo małe różnice w jego intensywności w zależności od kierunku, w którym się patrzy.
Naukowcy do tej pory interpretowali tę obserwację jako dowód na to, że gaz nie był równomiernie rozłożony po Wielkim Wybuchu. Zamiast tego był nieco mniej gęsty w niektórych obszarach niż w innych. To jest również powód, dla którego galaktyki mogły się w ogóle uformować: gęstsze obszary działały jak punkty kondensacji, w których gaz był sprężany pod wpływem siły własnej grawitacji, tworząc gwiazdy.
Bez tego nierównomiernego rozłożenia gazu prawdopodobnie w ogóle byśmy nie istnieli. Jednak zmiany w promieniowaniu tła, które stanowią podstawę tej teorii, stanowią zaledwie kilka tysięcznych punktu procentowego. Pytanie brzmi, jak wiarygodne mogą być te pomiary, jeśli galaktyki eliptyczne (które również nie są równomiernie rozłożone) stanowią przynajmniej 1,4% całkowitego zmierzonego promieniowania.
„Nasze wyniki stanowią problem dla standardowego modelu kosmologii” – mówi Kroupa. „Może być konieczne przepisanie historii wszechświata, przynajmniej częściowo”.
Więcej informacji: publikacja “The impact of early massive galaxy formation on the cosmic microwave background” autorów Eda Gjergo i Pavel Kroupa, 6 maja 2025, Nuclear Physics B.DOI: 10.1016/j.nuclphysb.2025.116931
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Mapa mikrofalowego promieniowania tła, zarejestrowana na niebie, pokazuje niewielkie wahania temperatury odpowiadające obszarom o nieznacznie różniących się gęstościach. Źródło: Wikimedia Commons. ESA and the Planck Collaboration.
.jpeg){kind=link}