Czy z naszą wiedzą kosmologiczną jest coś nie tak?

Te galaktyki nie powinny mieć wystarczająco dużo czasu, aby stać się aż tak masywne w tak wczesnych epokach kosmicznych. Wyobraźmy sobie, że odwiedzamy obcy kraj i odkrywamy, iż wiele tamtejszych niemowląt waży tyle, ile nastolatki. Zadamy sobie wtedy pytanie: czy dzieci są tak duże z powodu na przykład jakiejś substancji w wodzie, czy też nasza wiedza na temat ludzkiego rozwoju jest z gruntu błędna? Teoretycy, którzy zastanawiali się nad dużymi, jasnymi młodymi galaktykami z JWST, czuli to samo: czy z naszą wiedzą kosmologiczną jest coś nie tak? Konkretnie, czy nasza koncepcja ekspansji Wszechświata po Wielkim Wybuchu jest niepoprawna?

Okazuje się, że odpowiedź nie musi być aż tak dramatyczna. Kilka prac analizujących niektóre z młodych galaktyk podaje obecnie astrofizyczne wytłumaczenie nieoczekiwanych rozmiarów – takie jak bardzo wczesne czarne dziury lub gwałtowne procesy formowania się gwiazd – a nie efekty wymagające zmian w fizyce. „Większość ludzi postawiłoby teraz na wyjaśnienie astrofizyczne – mówi Mike Boylan-Kolchin, kosmolog z University of Texas w Austin. – Ja również zaliczam się do tej grupy”.

Zanim zaczął działać James Webb Space Telescope (JWST), najmłodszą znaną galaktyką była GN-z11, odkryta przez jego poprzednika, Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Widzimy ten obiekt tak, jak wyglądał około 13,4 mld lat temu, czyli około 400 mln lat po Wielkim Wybuchu. Gdy tylko JWST skierował swoje oko na Wszechświat, rekord Hubble’a został wielokrotnie pobity. Naukowcy badają obecnie galaktyki z epoki 320 mln lat po Wielkim Wybuchu. Spodziewamy się, że jeszcze w tym roku nowe dane z prowadzonych przez JWST badań galaktyk nawet bardziej wyżyłują ten rekord.

Najstarsze galaktyki znalezione przez JWST są jaśniejsze i aktywniejsze niż oczekiwano, a panujące w nich tempo formowania się gwiazd jest porównywalne do dzisiejszego tempa w Drodze Mlecznej, wynoszącego jedna gwiazda na rok. Są one jednak znacznie bardziej zwarte i mają rozmiary około jednej tysięcznej naszej Galaktyki. JWST zbadał również nowszy fragment kosmicznej historii, około 750 mln lat po Wielkim Wybuchu. Galaktyki z tej epoki są nadal dość młode i dziwne: mają rozmiar około jednej trzydziestej wielkości Drogi Mlecznej (znacznie większy niż oczekiwano), a ich tempo tworzenia gwiazd musiało być 1000 razy wyższe niż w naszej Galaktyce. Naukowcy nazwali te relatywnie starsze układy galaktykami ultramasywnymi i wciąż drapali się po głowach: żaden z tych zbiorów galaktyk nie mógł być w pełni wyjaśniony przez obecne modele.

W pracy opublikowanej w „Physical Review Letters” Nashwan Sabti z Johns Hopkins University i jego koledzy zaproponowali niedawno wyjaśnienie ultramasywnych galaktyk JWST. Wykorzystali istniejące dane zebrane przez Hubble’a w promieniowaniu ultrafioletowym dla zbadania setek galaktyk z tej samej epoki Wszechświata, czyli od około 450 mln do około 750 mln lat po Wielkim Wybuchu. W przeciwieństwie do JWST, który obserwuje głównie w podczerwieni, Hubble może rejestrować ultrafioletowy zakres widma elektromagnetycznego, w którym młode masywne gwiazdy świecą najsilniej. Obserwacje Hubble’a w ultrafiolecie pozwoliły naukowcom lepiej ocenić tempo formowania się gwiazd w tajemniczych ultramasywnych galaktykach. „Znamy więc tempo powstawania gwiazd – zmianę masy gwiazd w czasie – oraz samą masę gwiazd wyznaczoną dzięki obserwacjom JWST” – mówi Sabti.

Porównując te dwie informacje, Sabti i jego koledzy odkryli, że istnienie galaktyk można wyjaśnić w ramach obowiązującego modelu kosmologicznego Wszechświata – modelu zimnej ciemnej materii Lambda (Lambda-CDM). Jest on w stanie odtworzyć zaobserwowane schematy i właściwości galaktyk oraz innych dużych struktur kosmicznych. Żadna ezoteryczna fizyka nie jest potrzebna. W rzeczywistości wszelkie wprowadzane poprawki postawiłyby obserwacje Hubble’a w sprzeczności z obserwacjami JWST; galaktyki rosły dokładnie tak, jak oczekiwano w modelu Lambda-CDM. „Pokazaliśmy, że Hubble nie zostawia zbyt wiele miejsca na igranie z kosmologią – mówi Sabti. – Oznacza to, że źródłem [ultramasywnych galaktyk] jest najprawdopodobniej astrofizyka”.

Boylan-Kolchin twierdzi, że analiza porównująca dane z Hubble’a i JWST z tej samej epoki Wszechświata to „świetna robota”, ale nie jest jeszcze całkowicie przekonany. „Nie sądzę, że wnioski, iż musi to być wyjaśnienie astrofizyczne, są jednoznaczne – mówi. – Luka polega na tym, że za pomocą JWST i Hubble’a niekoniecznie obserwuje się te same galaktyki. Galaktyki mogą być jasne [w podczerwieni] dla JWST, ale niewidoczne dla Hubble’a. Jeśli tak się składa, że najmasywniejsze obiekty znajdują się w tym reżimie [podczerwieni], to być może Hubble ich nie widzi”.

Artykuł Sabtiego to niejedyna niedawna praca, która przedstawia astrofizyczne wyjaśnienie istnienia osobliwych galaktyk zaobserwowanych przez JWST. Na początku tego roku w „Astrophysical Journal Letters” Joseph Silk z Johns Hopkins University i Université de Paris oraz jego koledzy przyjrzeli się najwcześniejszym galaktykom zaobserwowanym przez JWST, młodszym niż GN-z11. Naukowcy napisali, że może istnieć sposób na szybszy rozwój galaktyk we Wszechświecie, jeśli czarne dziury powstały wcześniej niż galaktyki, czyli w ciągu pierwszych 50 mln lat po Wielkim Wybuchu. Mogłoby to wyjaśniać, dlaczego tempo powstawania gwiazd w młodym Wszechświecie było tak wysokie: czarne dziury mogły zasilać galaktyki wcześniej, niż oczekiwano, i szybciej przekształcać obłoki pyłu i gazu w gwiazdy. W mechanizmie tym biorą udział dość dobrze poznane procesy astrofizyczne zwane sprzężeniem zwrotnym i wypływem.

„W danych z JWST jest znacznie więcej czarnych dziur, niż się spodziewaliśmy – mówi Silk – a galaktyki, w których się znajdują, są bardzo zwarte”. Ich średnice wynoszą zaledwie 300 lat świetlnych; dla porównania średnica Drogi Mlecznej to 100 tys. lat świetlnych. „Oznacza to, że sprzężenie zwrotne jest znacznie silniejsze – wyjaśnia Silk. – Nasza podstawowa hipoteza zakłada, że czarne dziury powstały przed większością gwiazd, a ich intensywne wypływy utworzyły wiele gwiazd. W miarę upływu czasu proces ten wygasł i doprowadził do bardziej konwencjonalnego formowania się gwiazd, z którym mamy do czynienia [dzisiaj]. Uważamy, że jest to po prostu bardzo szczególne zjawisko, które występowało wcześnie, i może ono wyjaśnić tajemnice, których dostarczył nam JWST”.

Fabio Pacucci z Center for Astrophysics|Harvard&Smithsonian i jego koledzy zbadali rolę, jaką czarne dziury mogły odegrać w późniejszym okresie ewolucji galaktyk. We współczesnym Wszechświecie w galaktyce takiej jak nasza masa gwiazd przewyższa masę centralnej supermasywnej czarnej dziury – obiektu wszechobecnego wśród dużych galaktyk – w stosunku 1000 do 1.

Używając danych z JWST do zbadania galaktyk z okresu od 750 mln do 1,5 mld lat po Wielkim Wybuchu, Pacucci odkrył, że niektóre z nich mogą mieć czarną dziurę, której masa dorównuje ich masie gwiezdnej – a może nawet ją przewyższa. Sugeruje to model rozrostu czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, w którym czarne dziury w ciągu pierwszych 100 mln lat istnienia kosmosu powstały nie z gwiazd, ale w wyniku bezpośredniego zapadania się obłoków pyłu i gazu. Propozycja ta jest zgodna ze scenariuszem Silka i jego współpracowników, a tym samym może wesprzeć astrofizyczne wyjaśnienie szybkiego wczesnego rozrostu galaktyk.

Jeśli ta koncepcja jest słuszna, przyszłe obserwatoria fal grawitacyjnych – takie jak Laserowa Interferometryczna Antena Kosmiczna (Laser Interferometer Space Antenna; LISA), której wystrzelenie zostało niedawno zatwierdzone przez Europejską Agencję Kosmiczną i planowane jest na 2035 rok – mogą znaleźć takie „ciężkie zalążki” czarnych dziur. „Jeśli te ciężkie zalążki istniały, LISA zaobserwuje wiele ich połączeń – mówi Pacucci. – Możliwe, że rozwiązałoby to problem nadmiernej masy”.

Istnieją również sposoby na wyjaśnienie galaktyk JWST bez czarnych dziur. Guochao Sun z Northwestern University i jego koledzy zasugerowali, że niektóre galaktyki we Wszechświecie mogły przechodzić okresy „wybuchowego” formowania gwiazd. Sun uważa, że obfitość supernowych mogła tymczasowo doprowadzić do procesu sprzężenia zwrotnego w ciągu około 10 mln lat, który zwiększył tworzenie się gwiazd do tempa „10–100 razy” wyższego niż w bardziej spokojnych galaktykach.

Mogło to spowodować, że jasność niektórych galaktyk we wczesnym Wszechświecie „bardzo gwałtownie skakała w górę i w dół”, prowadząc do powstania próbki, która zawiera lepiej widoczne jasne galaktyki. „Nie trzeba tworzyć gwiazd z bardzo wysoką wydajnością” – dodaje Sun. Być może te zagadkowe jasne wczesne galaktyki JWST stanowią jedynie górny pułap dramatycznych fluktuacji w tempie tworzenia gwiazd, a ciemniejsze, bardziej prozaiczne galaktyki są liczniejsze, ale jeszcze dla nas niewidoczne.

Na razie króluje astrofizyka. Stawka jest jednak wysoka. „Fakt, że w grę może wchodzić kosmologia, oznacza, iż naprawdę warto śledzić nowe koncepcje, dopóki nie zostaną definitywnie wykluczone” – mówi Boylan-Kolchin. Czarne dziury i formowanie gwiazd to obiecujące wyjaśnienia, ale naukowcy będą czekać na nowe wyniki JWST, aby stwierdzić, który z nowych modeli, jeśli którykolwiek, się utrzyma.