Wszechświat po Wielkim Wybuchu rozszerzał się szybciej? Astronomowie i astrofizycy mają kłopot
Tak jest w przypadku odkrycia badaczy działających w wieloinstytucjonalnym programie Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS), kierowanym przez Stevena Finkelsteina, profesora astronomii z University of Texas w Austin. W lutym w czasopiśmie „Nature” donieśli oni o obserwacji aż 6 bardzo wczesnych galaktyk, które zaistniały w ciągu 500–700 mln lat po Wielkim Wybuchu. To zdaniem naukowców nieco zbyt szybko, zwłaszcza że galaktyki te już mają olbrzymie masy – ponad 10 mld naszych Słońc – a jedna z nich wydaje się nawet masywniejsza od Drogi Mlecznej. Przypomnijmy: jeszcze niedawno szacowano, że nasza galaktyka powstała ok. 11 mld lat temu, gdy wszechświat liczył już kilka miliardów lat. Wtedy zresztą narodziła się większość galaktyk. Obecnie uważa się, że nastąpiło to trochę wcześniej, a więc że Droga Mleczna jest starsza i uformowała się mniej więcej 1,5 mld lat po Wielkim Wybuchu. Jak to zatem możliwe, że podobnie masywne i rozwinięte galaktyki istniały już kilkaset milionów lat po początku wszystkiego?
Kłopoty z modelem kosmologicznym?
Według obliczeń przy takim szybkim powstaniu bardzo masywnych galaktyk niemal 100% zawartego w nich gazu musiałoby się przekształcać w gwiazdy. Tymczasem dotychczasowe obserwacje ich ewolucji wskazują, że przemianie tej podlega zaledwie 10% gazu. Teoretycznie możliwe jest, że wszechświat rozszerzał się na samym początku szybciej, niż obecnie sądzimy, więc ewolucja struktur galaktycznych też następowała szybciej, ale by przyjąć takie założenie, potrzebujemy nowej teorii ewolucji kosmosu – zmian w tzw. modelu kosmologicznym.
Gdy wszechświat miał ok. 100 mln lat, warunki stały się wystarczające – tak się uważa – by powstały pierwsze gwiazdy. Te były zbudowane głównie z wodoru i helu, bez cięższych pierwiastków, dlatego różniły się od obecnych gwiazd. Większe i jaśniejsze od dzisiejszych, te pierwsze słońca grupowały się w protogalaktyki, czyli kumulacje gazu, które doczepiały się do rozległych niewidzialnych rozkładów ciemnej materii. Interakcje między nimi doprowadzały do powstawania większych galaktyk. Teoretycy uważają, że proces wyłaniania się z pierwotnego chaosu wszechświata uporządkowanych struktur galaktycznych, takich jakie znamy dzisiaj, trwał co najmniej miliard lat. W okresie 500–700 mln lat, który obserwował JWST, powinniśmy dostrzec wiele małych protogalaktyk, tymczasem widzimy grupę dużych i dobrze rozwiniętych galaktyk. To zastanawiające.
Potwierdzenie, że zaobserwowane galaktyki rzeczywiście mają takie masy i są tak młode, wymaga jeszcze dodatkowych badań – głównie spektroskopowych. Jeśli jednak dane te się potwierdzą, to mamy problem. Niewykluczone, że trzeba będzie zrewidować obowiązujący od końca lat 90. ub.w. model kosmologiczny, tzw. Lambda-CDM (Lambda cold dark matter). Jego nazwa pochodzi od dwóch najistotniejszych składników wszechświata, czyli stałej kosmologicznej lambda (to ciemna energia, która przyspiesza rozszerzanie się wszechświata, składnik główny) oraz zimnej ciemnej materii (CDM). Model ten wyjaśnia m.in. wielkoskalową strukturę wszechświata i powstawanie w nim galaktyk. Istnienie zaskakująco dużych galaktyk na bardzo wczesnym etapie istnienia wszechświata stawia wyzwanie modelowi LCDM, opisującemu, w jaki sposób halo ciemnej materii napędza formowanie się galaktyk. Ustanawia też górną granicę ich masywności. Problem polega na tym, że odkryte właśnie przez JWST galaktyki znajdują się już na samym skraju tej granicy. Zagadnienie to jest przedmiotem ciekawej pracy autorstwa Mike’a Boylana-Kolchina, profesora astronomii z University of Texas w Austin, zamieszczonej w czasopiśmie „Nature Astronomy” wiosną br.
W rozwiązaniu tej zagadki być może okażą się pomocne badania spektroskopowe. W galaktykach tych bowiem mogą istnieć bardzo masywne centralne czarne dziury, które rozświetlają mocno otaczający je gaz, a ten rozjaśnia galaktyki i dlatego wydają się one masywniejsze niż w rzeczywistości. Inna możliwość: galaktyki te są obserwowane aż tak daleko z powodu wypełniającego je pyłu, który zabarwia je na czerwono, dając tym samym złudzenie, że są bardziej odległe, a więc dalej odsunięte w czasie.
Zwalniamy tempo upływu czasu?
Z kolei badacze nieba z Sydney Institute for Astronomy przy University of Sydney poinformowali w jednym z niedawnych wydań „Nature Astronomy”, że według tego, co udało im się zarejestrować, wczesny wszechświat działał w zwolnionym tempie w porównaniu z czasem obecnym, ziemskim. I że zwolnienie to jest prawdopodobnie kilkukrotne. Śmiała teza. By to stwierdzić, użyto szczególnych zegarów: były to kwazary. Kwazary, czyli obiekty niby-gwiazdowe (quasi stellar object), to niezwykle aktywne jądra odległych galaktyk o jasności przekraczającej jasność galaktyk, do których należą. Ta emisja promieniowania elektromagnetycznego o potężnej mocy bierze się z ogromnej aktywności centralnych supermasywnych czarnych dziur pochłaniających ogromne ilości galaktycznej materii. Badacze z Sydney przeanalizowali dane o 190 kwazarach i dopatrzyli się w nich dylatacji czasu, czyli jego spowolnienia. Przypomnijmy: Einsteinowska dylatacja czasu to efekt jego spowolnienia wywołany ogromną (bliską prędkości światła) prędkością obiektu lub jego przebywaniem w pobliżu ciała o ogromnej grawitacji (np. koło czarnej dziury). To spowolnienie jest jednak zauważalne tylko dla obserwatora zewnętrznego, spoza obiektu, obserwatora pozostającego w spoczynku. Znaną egzemplifikacją tego zjawiska relatywistycznego jest często opisywany i przywoływany tzw. paradoks bliźniąt.
– Patrząc wstecz na czasy, kiedy wszechświat miał nieco ponad miliard lat, widzimy, że czas zdaje się płynąć pięć razy wolniej – powiedział główny autor badania prof. Geraint Lewis z University of Sydney. – Gdybyś tam był, w tym niemowlęcym wszechświecie, jedna sekunda cały czas wydawałaby ci się jedną sekundą, ale z naszej perspektywy, po ponad 12 mld lat, ten wczesny czas zdaje się mocno przeciągać. Dzięki Einsteinowi wiemy, że czas i przestrzeń są ściśle związane, a od zarania dziejów, od osobliwości Wielkiego Wybuchu, wszechświat się rozszerza – wyjaśnia dalej Lewis. To właśnie ekspansja przestrzeni oznacza, że nasze obserwacje wczesnego wszechświata powinny wydawać się znacznie wolniejsze niż dzisiejsze przepływy czasu.
Czy to znaczy, że gdybyśmy przenieśli się w pobliże jakiegoś odległego kwazara, czas płynąłby dla nas pięć razy wolniej? – Absolutnie nie – tłumaczy prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego Wydziału Fizyki UW. – Lokalnie nie odczulibyśmy żadnej zmiany i wypalenie papierosa w pobliżu najbardziej odległego kwazara trwałoby dokładnie tyle samo, ile na Ziemi. Ta dylatacja jest pewnego rodzaju złudzeniem. Wydaje nam się, że czas kwazarów płynie wolniej, ponieważ są one bardzo daleko i szybko się od nas oddalają. A to oznacza, że emitowane przez nie fale, które odbieramy i obserwujemy, wydłużają się, a ich częstotliwość maleje. Stąd wrażenie zwolnienia czasu, jednak mamy je tylko tu, na Ziemi, z ogromnego dystansu i przy szybkim oddalaniu się kwazarów od nas. Jeśli zaś chodzi o czas, to nic się nie zmienia. Jest stały dla każdego lokalnego obserwatora. Dopiero gdy porównujemy czasy mierzone przez różnych obserwatorów, takich ja my teraz, i odległe kwazary, to zauważamy, że biegną w różnym tempie.
Innymi słowy: tykanie kwazarowych zegarów jest wolniejsze wyłącznie z naszej bardzo odległej perspektywy. Tak naprawdę tykają tak jak nasze, ale z dystansu 12 mld lat wydaje się nam, że chodzą wolniej. Niezwykłe. Chociaż obserwacja tego spowolnienia jasno potwierdza jednocześnie, że wszechświat nie jest statyczny i się rozszerza. To pewne.
Jak powstają ogromne gromady?
Po raz pierwszy badacze stworzyli symulacje, które bezpośrednio odtwarzają cykl życia niektórych z największych zbiorów galaktyk (gromad), obserwowanych w odległym wszechświecie 11 mld lat temu – donosi czerwcowe wydanie „Nature Astronomy”. Zespół naukowców – kierowany przez Metina Atę z Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, należącego do Kavli Foundation w Los Angeles – był zainteresowany odległymi strukturami, takimi jak masywne protogromady galaktyk, które są przodkami dzisiejszych gromad i supergromad galaktyk, zanim mogły się zgrupować i osiągnąć ogromne rozmiary pod wpływem grawitacji. Okazało się, że ich badania były czasami nadmiernie uproszczone, co oznacza, że wykonywano je za pomocą prostych modeli, a nie symulacji.
Uczeni wykorzystali obrazy bardzo wczesnych kilku protogromad galaktyk, a następnie użyli zaawansowanych symulacji komputerowych, by dowiedzieć się, jak przez 11 mld lat, gdy ich światło biegło do nas, będą ewoluować i jaki rozkład materii osiągną w naszych czasach. Dzięki takim symulacjom znaleziono dowody na obecne istnienie trzech protogromad galaktyk. Ponadto zidentyfikowano pięć kolejnych struktur, które konsekwentnie tworzyły się w ich symulacjach. Obejmuje to Hyperiona, największą i najwcześniejszą znaną obecnie protosupergromadę, która ma masę 5 tys. razy większą od Drogi Mlecznej i która, jak odkryli naukowcy, zapadnie się w duże włókno o długości 300 mln lat świetlnych.
Jeśli istnieją inne, szybsze sposoby formowania się galaktyk, niż przewiduje to LCDM, lub jeśli we wczesnym wszechświecie faktycznie było więcej dostępnej materii do tworzenia gwiazd i galaktyk, niż dzisiaj sądzimy, to astronomowie i astrofizycy prawdopodobnie będą musieli nieco zmienić swoje dominujące myślenie o nim. Jedną z najbardziej ekstremalnych możliwości jest to, że wszechświat rozszerzał się szybciej krótko po Wielkim Wybuchu, co może wymagać wprowadzenia do modeli nowych sił i cząstek. A to już jest spore wyzwanie.