Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i jego zaskakujące odkrycia

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zaczął pracę ledwie półtora miesiąca temu, a już wywołał zamieszanie wśród naukowców zajmujących się Wielkim Wybuchem.

Dla współczesnych astronomów, radioastronomów i astrofizyków Wielki Wybuch stanowi niezaprzeczalną prawdę. O powstaniu Wszechświata ok. 13,8 miliarda lat temu mówią szkolne i uniwersyteckie podręczniki. Z teorią Wielkiego Wybuchu wiążą się również inne pomniejsze teorie, z których najbardziej znana jest teoria inflacji.

Najbardziej znanym dowodem mającym potwierdzać Wielki Wybuch jest tzw. kosmiczne promieniowanie tła (CBR). Oprócz tego Kosmiczny Teleskop Hubble’a wykonał szereg zdjęć tzw. głębokich pól, ukazujących bardzo dalekie galaktyki. Najodleglejszą galaktyką sfotografowaną przez teleskop Hubble’a jest GN-z11. Jej przesunięcie ku czerwieni (oznaczane literą “z”) wynosi 11, co ma sugerować, że powstała zaledwie około 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST)

Jednym z celów nowego Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) jest pobić ten rekord. Choć ludzie powszechnie uważają teleskop Jamesa Webba za następcę teleskopu Hubble’a, w rzeczywistości jest to bardziej skomplikowane. W przeciwieństwie do swego poprzednika nowy teleskop nie rejestruje światła widzialnego. Zamiast tego zbiera światło podczerwone. To umożliwia mu fotografowanie obiektów znajdujących się jeszcze dalej od nas i jeszcze dalej przesuniętych ku czerwieni.

Pierwsze zdjęcia wykonane przez JWST okazały się być dla naukowców tak zaskakujące, że ich poglądy na temat początków naszego Wszechświata zostały wystawione na ciężką próbę. Artykuł opublikowany przez serwis internetowy Nature przedstawia kilka problemów, które przyprawiają naukowców o ból głowy¹.

“Mój Boże, tu jest pełno galaktyk!”²

Naukowcy uważają, że im odleglejsze galaktyki obserwujemy, tym głębiej zaglądamy w przeszłość Wszechświata i tym mniej galaktyk powinniśmy się spodziewać. Okres od 250 do 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu naukowcy nazywają kosmicznym świtem. Wtedy miały pojawić się pierwsze gwiazdy, a razem z nimi – pierwsze galaktyki. Dlatego naukowcy spodziewali się, że patrząc tak daleko, zobaczą bardzo mało galaktyk.

JWST ujawnił jednak, że nawet w tych odległościach galaktyk jest bardzo dużo. Jedno badanie nad dostępnymi głębokimi polami Webba ujawniło 44 wcześniej nieznane obiekty (obok 11 już znanych), które miały powstać w mniej niż 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Jak stwierdziła Jeyhan Kartaltepe, astronom z nowojorskiego Rochester Institute of Technology: “Rzadko kiedy natrafiamy na pustą przestrzeń, która nie zawiera nic”³. Naukowcy muszą zatem zrewidować swoje hipotezy dotyczące wczesnego Wszechświata.

Poszukiwania najdalszej galaktyki

Wcześniej wspomnieliśmy o galaktyce GN-z11, najdalszej galaktyce, jaką odkrył Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Dzięki JWST wiemy, że istnieją jeszcze odleglejsze galaktyki. Na razie są to tylko kandydaci, co oznacza, że ich status jako galaktyk musi zostać jeszcze w pełni potwierdzony. Gdy jednak naukowcy potwierdzą swoje odkrycia, będziemy mieli nowe rekordy odległości.

Jednym z kandydatów jest galaktyka opatrzona nazwą GLASS-z13. Posiada przesunięcie ku czerwieni równe 13,1 (im większe przesunięcie ku czerwieni, tym dalej zazwyczaj znajduje się galaktyka⁴). Została odkryta razem z towarzyszącą jej inną galaktyką nieco bliżej nas⁵. Dla naukowców zaskakująca była ich duża jasność, gdyż to sugeruje istnienie wysoko rozwiniętych galaktyk w tak wczesnym stadium Wszechświata.

Jednak wkrótce pojawili się nowi kandydaci o jeszcze większym przesunięciu ku czerwieni. Jednym z nich jest galaktyka zwana roboczo CEERS-93316. Jej przesunięcie ku czerwieni wynosi aż 16,7, co odpowiada zaledwie 250 milionom lat od Wielkiego Wybuchu⁶. Jeżeli odkrycie zostanie potwierdzone, będzie to najodleglejsza i najstarsza galaktyka, jaką dotychczas odkrył JWST. A to dopiero początek, bo naukowcy mogą bardzo szybko trafić na kolejne rekordowe odkrycia. Jeden preprint spekuluje nawet o galaktykach z przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 20⁷.

Najodleglejsze galaktyki zaskakująco dojrzałe

Najbardziej problematyczne dla naukowców odkrycie wiąże się z kształtem najodleglejszych galaktyk. Wcześniej na podstawie zdjęć Kosmicznego Teleskopu Hubble’a doszli oni do wniosku, że większość odległych galaktyk ma kształt nieregularny. Teoria głosi, że miało tak być ze względu na większe ich zagęszczenie w młodym Wszechświecie. Galaktyki miały oddziaływać na siebie grawitacyjnie i zderzać się ze sobą, naruszając wzajemnie swoją strukturę.

JWST odkrył jednak, że w odległych rejonach Wszechświata może być nawet 10 razy więcej galaktyk spiralnych niż zakładali naukowcy⁸. Allison Kirkpatrick, astronom Uniwersytetu Kansas w Lawrence, stwierdziła: “Dzięki rozdzielczości JWST możemy zobaczyć, że galaktyki posiadały spiralną strukturę znacznie wcześniej niż zakładaliśmy”. Zapytana o dotychczasową teorię odpowiedziała: “Będziemy musieli to wyjaśnić”⁹. Nie pomaga kolejny preprint opisujący kilka dobrze wykształconych masywnych galaktyk, które miały istnieć zaledwie 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu¹⁰.

Dodatkowo badania JWST nad składem chemicznym galaktyk o przesunięciu ku czerwieni równym 5 i więcej (czyli istniejących zaledwie 1,3 miliarda lat po Wielkim Wybuchu i wcześniej) wykazały zaskakująco dużą ilość cięższych pierwiastków (tzw. metali¹¹) takich jak tlen¹². Dotychczas naukowcy sądzili, że powstawanie pierwiastków cięższych od litu zajęło miliardy lat, licząc od Wielkiego Wybuchu. Teraz okazuje się, że istniały one już w bardzo młodym Wszechświecie. Kirkpatrick uważa, że te odkrycia “zmuszają nas do rewizji prędkości, z jaką powstają nowe gwiazdy”¹³.

Reakcje naukowców i podsumowanie

Odkrycia JWST mają potencjał dokonać swoistej rewolucji w teorii Wielkiego Wybuchu, skoro już teraz tak zaskakują naukowców. Kirkpatrick wyznała w szczerości: “Obecnie zdarza mi się leżeć w łóżku o 3:00 nad ranem i zastanawiać się, czy wszystko, co dotychczas robiłam, robiłam źle”¹⁴. Z kolei dla Erica J. Lernera, fizyka głoszącego, że Wszechświat nie ma początku, odkrycia JWST całkowicie obalają teorię Wielkiego Wybuchu¹⁵. Niemniej większość naukowców jest zdania, że odkrycia nowego teleskopu co najwyżej zmuszają ich do rewizji różnych hipotez w obrębie teorii Wielkiego Wybuchu¹⁶.

Nie da się jednak zaprzeczyć, że dzięki JWST wiemy, że nawet najodleglejsze galaktyki wyglądają praktycznie tak jak nasze galaktyczne sąsiedztwo. Zamiast długotrwałej ewolucji Wszechświata widzimy raczej jego jednolitość – nawet tam, gdzie naukowcy spodziewali się dowodów na tę ewolucję. Jest to w zgodzie z przekazem biblijnym o stworzeniu całości Wszechświata przez Boga w ciągu tylko jednego dnia – czwartego dnia stworzenia¹⁷.

Oczywiście JWST dopiero zaczął swoją pracę, która ma potrwać co najmniej 20 lat. A zatem to dopiero początek odkryć – odkryć, które potencjalnie mogą wywrócić całą współczesną astronomię do góry nogami.

Przypisy

1. Witze A., Four revelations from the Webb telescope about distant galaxies, Nature, 27.07.2022, https://www.nature.com/articles/d41586-022-02056-5
2. Parafraza zdania “Mój Boże, tu jest pełno gwiazd!” (“My God, it’s full of stars!”), które wypowiada dr David Bowman w filmie 2010: Odyseja kosmiczna będącym kontynuacją słynnego filmu 2001: Odyseja kosmiczna reżyserii Stanley’a Kubricka.
3. Cytat za: Witze A., op. cit.
4. Korelację między przesunięciem ku czerwieni a odległością galaktyki można znaleźć tu: https://lco.global/spacebook/light/redshift/
5. Castellano M. et al., Early results from GLASS-JWST. III: Galaxy candidates at z∼9-15, arXiv, 19.07.2022, https://arxiv.org/abs/2207.09436
6. Donnan C. T. et al., The evolution of the galaxy UV luminosity function at redshifts z ~ 8-15 from deep JWST and ground-based near-infrared imaging, arXiv, 25.07.2022, https://arxiv.org/abs/2207.12356
7. Yan H., First Batch of Candidate Galaxies at Redshifts 11 to 20 Revealed by the James Webb Space Telescope Early Release Observations, arXiv, 23.07.2022, https://arxiv.org/abs/2207.11558
8. Ferreira L. et al., Panic! At the Disks: First Rest-frame Optical Observations of Galaxy Structure at z>3 with JWST in the SMACS 0723 Field, arXiv, 19.07.2022, https://arxiv.org/abs/2207.09428
9. Cytat za: Witze A., op. cit.
10. Labbe I. et al., A very early onset of massive galaxy formation, arXiv, 25.07.2022, https://arxiv.org/abs/2207.12446
11. W przeciwieństwie do definicji chemicznej w astronomii metalem nazywany jest każdy pierwiastek cięższy od litu.
12. Trump J. R. et al., The Physical Conditions of Emission-Line Galaxies at Cosmic Dawn from JWST/NIRSpec Spectroscopy in the SMACS 0723 Early Release Observations, arXiv, 25.07.2022, https://arxiv.org/abs/2207.12388
13. Cytat za: Witze A., op. cit.
14. Cytat za: Witze A., op. cit.
15. James Webb Space Telescope Shows Big Bang Didn’t Happen? Wait…, Mind Matters, 13.08.2022, https://mindmatters.ai/2022/08/james-webb-space-telescope-shows-big-bang-didnt-happen-wait/
16. Ryan J., No, James Webb Space Telescope Images Do Not Debunk the Big Bang, CNET, 22.08.2022, https://www.cnet.com/science/space/no-james-webb-space-telescope-images-do-not-debunk-the-big-bang/
17. Rdz 1,14-19.