Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zmienia to, co myśleliśmy, że wiemy o wszechświecie

Czym jest JWST i czym różni się od Kosmicznego Teleskopu Hubble'a?

Uruchomienie teleskopu kosmicznego Jamesa Webba (JWST) https://webb.nasa.gov/content/about/launch.html (JWST) 25 grudnia 2021 r. rodzi szereg poważnych pytań dotyczących standardowego modelu kosmologicznego, które prawdopodobnie doprowadzą do rewizji modelu standardowego, jeśli nie do jego znacznego - lub nawet całkowitego - przepisania. Dla niewtajemniczonych, teleskop Jamesa Webba jest największym i najpotężniejszym teleskopem kosmicznym w historii, którego budowa kosztowała ponad 10 miliardów dolarów i trwała prawie 20 lat. Główne zwierciadło teleskopu JWST ma średnicę 6,5 metra (21,3 stopy) i jest znacznie większe od 2,4-metrowego (7,9 stopy) zwierciadła Hubble'a, zapewniając 6-krotnie większą zdolność przechwytywania światła. Podczas gdy Hubble może przechwytywać światło podczerwone, został zaprojektowany głównie do przechwytywania światła widzialnego i ultrafioletowego.

Nacisk JWST na przechwytywanie światła podczerwonego jest ważny, ponieważ pozwala mu widzieć przez kosmiczne chmury pyłu i pozwala spojrzeć znacznie dalej w przeszłość. Ponieważ wszechświat się rozszerza, światło z najwcześniejszych gwiazd i galaktyk zostało "przesunięte ku czerwieni" od światła widzialnego do światła ultrafioletowego i wreszcie do długości fal podczerwonych, zanim dotrze do naszej lokalizacji we wszechświecie. Podczas gdy Hubble był w stanie wykorzystać soczewkowanie grawitacyjne, aby zobaczyć nawet 13,4 miliarda lat temu, JWST jest w stanie wyraźniej uchwycić obrazy tych galaktyk i spojrzeć poza "małe galaktyki" (jak opisuje je NASA) Hubble'a do pierwszych galaktyk, które uformowały się, aby zobaczyć, co powinno być "małymi galaktykami". Jak dotąd, najwcześniejsza galaktyka, którą JWST był w stanie zaobserwować, została zidentyfikowana jako pochodząca zaledwie 320 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Jakie są najważniejsze i najtrudniejsze dotychczasowe odkrycia Teleskopu Webba?

JWST odkrył galaktyki, które - w obecnej kosmologicznej skali czasu wynoszącej 13,7 miliarda lat - mają od 500 do 700 milionów lat. Nie jest to samo w sobie nieoczekiwane. Niespodziewane jest natomiast to, jak masywne są te galaktyki, z których wiele dorównuje rozmiarami naszej własnej galaktyce Drogi Mlecznej. Dopóki JWST nie zaobserwował tych galaktyk, wcześniej uważano, że niemożliwe jest, aby galaktyki o takich rozmiarach istniały tak wcześnie w pozornej historii wszechświata. Naukowcy spodziewali się, że JWST odkryje stosunkowo małe galaktyki w tej skali czasowej, ale te duże galaktyki, które uformowały się tak wcześnie we wszechświecie, są określane jako "łamacze wszechświata", ponieważ po prostu nie powinny istnieć gdyby wszechświat liczył tylko 13,7 miliarda lat, jak się przypuszcza.

Jedna z tych starożytnych galaktyk, nazwana ZF-UDS-7329jest większa od Drogi Mlecznej, ale powstała zaledwie 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Do czasu jej odkrycia uważano, że galaktyki o takiej skali mogły powstać dopiero po zasianiu ciemnej materii we wszechświecie. Jej istnienie podważa zarówno wiek wszechświata, jak i sposób, w jaki naukowcy uważali, że galaktyki tej wielkości muszą być w stanie się uformować. JWST odkrył również inne struktury w przestrzeni kosmicznej w centrum naszej własnej Drogi Mlecznej - około 25 000 lat świetlnych od nas - których naukowcy nigdy wcześniej nie obserwowali i starają się je wyjaśnić. Obejmują one niebieską chmurę zjonizowanego wodoru, która pokrywa ogromny obszar przestrzeni w regionie Sagittarius C, w tym coś, co zostało opisane jako "igłopodobne" struktury chaotycznie skierowane w wielu kierunkach.

Jedną z głównych cech standardowego modelu kosmologicznego jest tak zwana stała Hubble'a. Nazwana na cześć Edwina Hubble'a (podobnie jak teleskop), który jako pierwszy zaobserwował, że wszechświat rozszerza się w tempie proporcjonalnym i stałym do odległości obiektu od Ziemi. Obserwacje z teleskopu Hubble'a doprowadziły do tego, co stało się znane jako napięcie Hubble'a, gdzie różne techniki stosowane do pomiaru tempa ekspansji wszechświata dały różne wyniki. Teraz JWST potwierdził, że te różne obserwacje są rzeczywiście poprawne i że wszechświat nie rozszerza się w stałym tempie, ale w różnym tempie, które różni się, gdy obserwujemy różne części wszechświata. Odkrycie to bezpośrednio zaprzecza obecnemu myśleniu na temat ekspansji wszechświata, gdyby Wielki Wybuch był kluczowy dla jego powstania i późniejszej inflacji.

JWST zidentyfikował również wiele innych gigantycznych czarnych dziur, które uformowały się już we wczesnym wszechświecie. Jest to również zupełnie nieoczekiwane odkrycie. Zazwyczaj supermasywne czarne dziury powstają w wyniku akrecji gazów przez wiele milionów lat, ale te supermasywne czarne dziury powstały znacznie szybciej, niż wcześniej sądzono. Pojawiają się również pytania o to, czy urosły one znacznie szybciej niż wcześniej sądzono, czy też po prostu narodziły się jako duże. Tak czy inaczej, odkrycia JWST pozwolą na nowo napisać książki - albo o sposobie i tempie powstawania supermasywnych czarnych dziur, albo o tym, czy Wszechświat jest znacznie starszy, niż początkowo sądzono.

Co to oznacza dla standardowego modelu kosmologicznego?

Jeden z naukowców z Uniwersytetu w Ottawie, dr Rajendra Gupta, twierdzi, że jego najnowsze obliczenia wskazują, że wszechświat ma nie 13,7 miliarda lat, ale 26,7 miliarda lat. Argumentuje on, że standardowy model kosmologiczny, który wykorzystuje przesunięcie ku czerwieni w celu określenia wieku wszechświata, musi również uwzględniać tak zwaną "teorię zmęczonego światła", która sugeruje, że przyczyną pozornego przesunięcia ku czerwieni nie jest odległość, w jakiej obiekt znajduje się od Ziemi, ale musi również uwzględniać fakt, że energia fotonów światła rozprasza się w czasie. To mogłoby wyjaśniać, dlaczego gwiazda taka jak Methuslahobecnie najstarsza zaobserwowana gwiazda, wydaje się być starsza niż obecnie szacowany wiek wszechświata wynoszący 14,3 miliarda lat.

Pogląd Gupty nie jest jednak jeszcze podzielany przez całą społeczność naukową, ponieważ JWST działa dopiero od połowy 2022 r. i jest o wiele więcej danych, które musi jeszcze zebrać, a także o wiele więcej liczb i modeli teoretycznych, które można zastosować do tych danych. Istnieją jeszcze bardziej radykalne propozycje niż ta Gupty, które zakładają, że powstanie wszechświata wcale nie rozpoczęło się od Wielkiego Wybuchu, podczas gdy inna teoria zakłada, że wszechświat po prostu istniał wiecznie. Po uruchomieniu JWST jedno jest pewne - standardowy model kosmologiczny będzie musiał zostać co najmniej zrewidowany. Tylko czas pokaże, czy będzie on musiał zostać całkowicie przepisany i zastąpiony zupełnie nowym wyjaśnieniem pochodzenia wszechświata i jego wieku.