Telescopul Spațial James Webb (JWST) este cel mai mare și mai puternic telescop spațial construit până în prezent. De la lansarea sa, în decembrie 2021, cu ajutorul acestuia s-au făcut descoperiri revoluționare, inclusiv a celor mai vechi și mai îndepărtate galaxii cunoscute, care s-au format la doar 300 de milioane de ani după Big Bang.
Obiectele îndepărtate sunt, de asemenea, foarte vechi, deoarece lumina de la ele ajunge la telescoapele noastre după un timp îndelungat.
JWST a identificat o serie de aceste galaxii foarte timpurii. Practic vedem aceste obiecte cosmice cum arătau la puțin timp după nașterea universului.
Aceste observații făcute de JWST sunt în concordanță cu înțelegerea actuală a cosmologiei – disciplina științifică ce urmărește să explice universul – și a formării galaxiilor.
Cu toate acestea, ele dezvăluie și aspecte neașteptate. Multe dintre aceste galaxii timpurii strălucesc mult mai intens decât ne-am fi așteptat, având în vedere că au apărut la scurt timp după Big Bang.
Galaxiile mai strălucitoare se presupune că au mai multe stele și mai multă masă. Se credea că ar fi fost nevoie de mai mult timp pentru ca acest nivel de formare stelară să aibă loc. Aceste galaxii au, de asemenea, găuri negre în creștere în centrul lor – un semn că aceste obiecte s-au maturizat rapid după Big Bang.
Așadar, cum putem explica aceste descoperiri surprinzătoare? Schimbă ele ideile noastre despre cosmologie? Este necesară o reevaluare a vârstei universului?
Oamenii de știință au putut studia aceste galaxii timpurii combinând imaginile detaliate obținute de JWST cu capacitățile sale puternice de spectroscopie.
Spectroscopia este o metodă de interpretare a radiației electromagnetice emise sau absorbite de obiectele din spațiu, care ne oferă informații despre proprietățile unui obiect.
Înțelegerea noastră asupra cosmologiei și formării galaxiilor se bazează pe câteva idei fundamentale.
Una dintre acestea este principiul cosmologic, care afirmă că, la scară mare, universul este omogen (la fel peste tot) și izotrop (la fel în toate direcțiile). Combinat cu teoria relativității generale a lui Einstein, acest principiu ne permite să corelăm evoluția universului – modul în care se extinde sau se contractă – de conținutul său de energie și masă.
Modelul cosmologic standard, cunoscut sub numele de teoria Big Bang, include trei componente principale.
Una este materia obișnuită, pe care o putem vedea cu ochii în galaxii, stele și planete.
A doua componentă este materia întunecată rece (CDM), particule de materie care se mișcă lent și care nu emit, absorb sau reflectă lumina.
A treia componentă este ceea ce se numește constanta cosmologică (Λ sau lambda). Aceasta este legată de ceva numit energie întunecată și este un mod de a explica faptul că universul se află în expansiune accelerată.
Împreună, aceste componente formează ceea ce se numește modelul ΛCDM al cosmologiei.
Energia întunecată reprezintă aproximativ 68% din conținutul total de energie al universului de astăzi.
Deși nu este observabilă direct cu instrumentele științifice, se crede că materia întunecată constituie cea mai mare parte a materiei din cosmos și cuprinde aproximativ 27% din masa și energia totală a universului.
Deși materia întunecată și energia întunecată rămân misterioase, modelul ΛCDM este susținut de o gamă largă de observații detaliate. Acestea includ măsurarea expansiunii universului, radiația cosmică de fond (RCF) și dezvoltarea galaxiilor și distribuția lor la scară largă – de exemplu, modul în care galaxiile se grupează împreună.
Modelul ΛCDM stabilește bazele pentru înțelegerea modului în care galaxiile se formează și evoluează. De exemplu, RCF, emisă la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang, oferă o imagine a fluctuațiilor timpurii de densitate care au apărut în universul timpuriu. Aceste fluctuații, în special în materia întunecată, s-au dezvoltat în cele din urmă în structurile pe care le observăm astăzi, cum ar fi galaxiile și stelele.
Cum se formează stelele
Formarea galaxiilor constă în procese complexe influențate de numeroase fenomene fizice diferite. Unele dintre aceste mecanisme nu sunt pe deplin înțelese, cum ar fi procesele care guvernează modul în care gazul din galaxii se răcește și se condensează pentru a forma stele.
Efectele supernovelor, vânturilor stelare și găurilor negre care emit cantități semnificative de energie (numite uneori nuclee galactice active - AGN) pot încălzi sau expulza gazul din galaxii. Acest lucru poate stimula sau reduce formarea stelară și, astfel, influențează creșterea galaxiilor.
Eficiența și amploarea acestor „procese de feedback”, precum și impactul lor cumulativ în timp, nu sunt pe deplin înțelese. Ele reprezintă o sursă semnificativă de incertitudine în modelele matematice sau simulările formării galaxiilor.
În ultimii ani s-au făcut progrese semnificative în simulările computerizate complexe ale formării galaxiilor. Se pot face descoperiri și obține indicii din simulări și modele mai simple care leagă formarea stelară de evoluția halourilor de materie întunecată. Aceste halouri sunt structuri masive, invizibile, alcătuite din materie întunecată, care ancorează efectiv galaxiile în interiorul lor.
Unul dintre modelele mai simple ale formării galaxiilor presupune că rata la care se formează stelele într-o galaxie este legată direct de fluxul de gaz care intră în acea galaxie. Acest model mai propune că rata formării stelare într-o galaxie este proporțională cu rata de creștere a halourilor de materie întunecată. Presupune o eficiență constantă în conversia gazului în stele, indiferent de timpul cosmic.
Acest model de „eficiență constantă a formării stelare” este în concordanță cu creșterea dramatică a formării stelare în primul miliard de ani după Big Bang. Creșterea rapidă a halourilor de materie întunecată în această perioadă ar fi furnizat condițiile necesare pentru ca galaxiile să formeze stele în mod eficient. În ciuda simplității sale, acest model a prezis cu succes o gamă largă de observații reale, inclusiv rata generală a formării stelare de-a lungul timpului cosmic.
Secretele primelor galaxii
JWST a inaugurat o nouă eră a descoperirilor. Cu instrumentele sale avansate, telescopul spațial poate capta atât imagini detaliate, cât și spectre de înaltă rezoluție – grafice care arată intensitatea radiației electromagnetice emise sau absorbite de obiectele cosmice.
Pentru JWST, aceste spectre sunt în regiunea infraroșie apropiată a spectrului electromagnetic. Studierea acestei regiuni este esențială pentru observarea galaxiilor timpurii a căror lumină optică s-a transformat în infraroșu („deplasată spre roșu”) pe măsură ce universul s-a extins.
Deplasarea spre roșu descrie modul în care lungimea de undă a luminii de la galaxii crește în călătoria ei cosmică. Cu cât o galaxie este mai îndepărtată, cu atât deplasarea spre roșu este mai mare.
În ultimii doi ani, JWST a identificat și caracterizat galaxii cu deplasări spre roșu cu valori între 10 și 15. Aceste galaxii, care s-au format în jur de 200-500 de milioane de ani după Big Bang, sunt relativ mici pentru galaxii (aproximativ 100 de parseci sau 3 cvadrilioane de kilometri în diametru). Fiecare dintre ele conține aproximativ 100 de milioane de stele și formează noi stele la o rată de aproximativ o stea asemănătoare Soarelui pe an.
Deși acest lucru nu pare foarte impresionant, sugerează că aceste sisteme își dublează conținutul de stele în doar 100 de milioane de ani. Prin comparație, propria noastră galaxie, Calea Lactee, are nevoie de aproximativ 25 de miliarde de ani pentru a-și dubla masa stelară.
Formarea timpurie a galaxiilor
Descoperirile surprinzătoare ale JWST privind galaxiile luminoase cu deplasări spre roșu mari ar putea implica faptul că aceste galaxii s-au maturizat mai repede decât era de așteptat după Big Bang. Acest lucru este important deoarece creează dificultăți pentru modelele actuale ale formării galaxiilor.
Modelul formării stelare descris mai sus, deși eficient în explicarea multora dintre observațiile noastre, are dificultăți în a justifica numărul mare de galaxii luminoase și îndepărtate observate cu o deplasare spre roșu mai mare de 10.
Pentru a aborda această problemă, oamenii de știință explorează diferite posibilități. Acestea includ modificări ale teoriilor privind eficiența cu care gazul este transformat în stele în timp. Ei reconsideră, de asemenea, importanța relativă a proceselor de feedback – cum ar fi supernovele și găurile negre – care ajută la reglarea formării stelelor.
Unele teorii sugerează că formarea stelelor în universul timpuriu ar fi putut fi mai intensă sau „explozivă” decât s-a crezut anterior, conducând la creșterea rapidă a acestor galaxii timpurii și la luminozitatea lor aparentă.
Altele propun că factori diferiți, cum ar fi cantități mai mici de praf galactic, o distribuție a maselor stelare dominată de stele masive sau contribuțiile unor fenomene precum găurile negre active, ar putea fi responsabile pentru luminozitatea neașteptată a acestor galaxii timpurii.
Aceste explicații invocă schimbări ale fizicii formării galaxiilor pentru a claririca descoperirile JWST. Dar oamenii de știință au luat în considerare și modificări ale teoriilor cosmologice.
De exemplu, abundența galaxiilor luminoase timpurii ar putea fi explicată parțial printr-o schimbare a unui element numit spectrul puterii materiei, care descrie diferențele de densitate din univers.
Un posibil mecanism pentru realizarea acestei schimbări în spectrul puterii materiei este un fenomen teoretic numit „energie întunecată timpurie”. Aceasta este ideea că o nouă sursă de energie cosmologică, cu similarități cu energia întunecată, ar fi putut exista în timpurile primordiale, cu o deplasare spre roșu de 3.000. Acest lucru s-a întâmplat înainte de emisia radiației cosmice de fond și la doar 380.000 de ani după Big Bang.
Această energie întunecată timpurie s-ar fi dezintegrat rapid după etapa de evoluție a universului cunoscută sub numele de recombinare. În mod surprinzător, energia întunecată timpurie ar putea, de asemenea, să atenueze tensiunea Hubble – o discrepanță între diferitele estimări ale vârstei universului.
Un studiu publicat în 2023 a sugerat că descoperirile despre galaxii făcute cu ajutorul JWST au impus oamenilor de știință să crească vârsta universului cu câteva miliarde de ani.
Cu toate acestea, alte fenomene ar putea explica galaxiile luminoase. Înainte ca observațiile JWST să fie folosite pentru a invoca schimbări în ideile generale de cosmologie este esențială o înțelegere mai detaliată a proceselor fizice din galaxii.
Cea mai îndepărtată galaxie descoperită – identificată de JWST – este numită JADES-GS-z14-0. Datele colectate până acum indică faptul că acest tip de galaxie prezintă o mare diversitate de proprietăți.
Unele galaxii prezintă indicii că ar adăposti găuri negre care emit energie, în timp ce altele par să fie compatibile cu găzduirea unor populații tinere de stele, fără praf. Deoarece aceste galaxii sunt slab luminoase și observarea lor presupune timpi de expunere mari, de mai multe ore, doar 20 de galaxii cu o deplasare spre roșu de peste zece au fost observate spectroscopic până în prezent, iar construirea unui eșantion va dura ani.
O altă abordare ar putea fi observarea galaxiilor din perioade cosmice ulterioare, când universul avea între 1 și 2 miliarde de ani (deplasare spre roșu între trei și nouă). Capacitățile JWST oferă cercetătorilor acces la indicatori cruciali din stelele și gazele care formează aceste obiecte, care pot fi utilizați pentru a înțelege mai bine istoria generală a formării galaxiilor.
S-a schimbat înțelegerea universului?
În primul an de funcționare al JWST s-a susținut de unii cercetători că unele dintre cele mai timpurii galaxii aveau mase stelare extrem de mari (masele stelelor din aceste galaxii) și că este nevoie de o schimbare în cosmologie pentru a explica galaxiile luminoase care existau în universul foarte timpuriu. Acestea au fost chiar numite „galaxii care distrug universul”.
Curând după aceea a devenit clar că aceste galaxii nu sunt chiar atât de „periculoase”, iar proprietățile lor pot fi explicate printr-o gamă de fenomene diferite. Date observaționale mai bune au arătat că distanțele către unele dintre obiectele cosmice au fost supraestimate (ceea ce a dus la o supraestimare a maselor lor stelare).
Emisia de lumină venită de la aceste galaxii poate fi alimentată de surse altele decât stelele, cum ar fi găurile negre în formare. Ipotezele asumate din modelele matematice sau simulări pot duce, de asemenea, la erori în estimarea masei totale a stelelor din aceste galaxii.
Pe măsură ce JWST își continuă misiunea, acesta va ajuta oamenii de știință să-și rafineze modelele și să răspundă la unele dintre cele mai importante întrebări despre originile cosmosului. Acesta ar trebui să clarifice și mai multe secrete despre primele zile ale universului, inclusiv enigma acestor galaxii îndepărtate și luminoase.
Traducere și adaptare după The earliest galaxies formed amazingly fast after the Big Bang
Autoarea, Sandro Tacchella, este profesor asistent în astrofizică la Institutul Kavli pentru cosmologie, Departamentul de fizică, Universitatea Cambridge.
Credit prima imagine: depositphotos.com