Czy obserwacje Webba burzą porządek Wszechświata? Okazuje się, że niekoniecznie

Czy kosmologia przeżywa kryzys? Takie pytanie zadaje sobie część osób, które śledzą publikacje na podstawie obserwacji teleskopu Webb. Odpowiedź nie jest prosta, choć wiele wskazuje, że obawy o zburzony porządek Wszechświata są jak na razie niepotrzebnie wyolbrzymiane.

Astronomia to nauka, w której bardzo ważne jest zastosowanie prawidłowych wzorców i modeli do interpretacji obserwacji i opisu rejestrowanych zjawisk. Masowe odkrycia planet w ostatnich dekadach, pokazują, jak bardzo istotny w nauce jest błąd selekcji, czyli wnioskowanie na podstawie niereprezentatywnej próbki danych. W przypadku obserwacji źródłem takiego błędu są ograniczenia technologii obserwacyjnych, w tym rozdzielczości teleskopów. W przypadku analizy danych, niewłaściwe podejście do problemu, które prowadzi do pominięcia prostszych i sensowniejszych wyjaśnień tego, co zaobserwowano, a nawet stosowania nieprecyzyjnych formuł.

Kosmologia to gałąź nauk fizycznych i filozoficznych, w której nie jest łatwo być pewnym swoich racji. To konsekwencja faktu, że większości obserwowanych przez astronomów obiektów i zjawisk prawdopodobnie nigdy nie doświadczymy z bliska.

Szczególnie obserwacje najodleglejszych zakątków kosmosu to lawirowanie na krawędzi poważnej pomyłki. Mamy tu niewielki stosunek sygnału do szumu, czyli to, co traktujemy jako na przykład galaktykę, nieznacznie wyróżnia się poza tło, a także bazujemy na teoriach, na przykład tych związanych z ciemną materią, które wciąż nie są zweryfikowane.

Jak obserwacje teleskopu Webba burzą dotychczasowy porządek Wszechświata?

Dwa lata obserwacji teleskopu Webba zaowocowały nowym spojrzeniem na kwestie ewolucji Wszechświata. Wiosną ogłoszono, że obserwacje gwiazd typu cefeida w odległych galaktykach potwierdziły tak zwane napięcie Hubble’a. To rozbieżność w ocenie tempa rozszerzania się Wszechświata na podstawie różnego typu obserwacji. Dane dla mikrofalowego tła dają mniejsze wartości tego tempa (67,4 km/s/Mpc) niż obserwacje odległości na podstawie gwiazd (74 km/s/Mpc). Na tę rozbieżność wskazały już wcześniejsze obserwacje teleskopu Hubble’a, a obserwacje z Webba utwierdziły nas w przekonaniu, że napięcie istnieje, a rozbieżność pomiarów jest znacznie większa niż potencjalne błędy pomiarowe.

Fragment nieba zwany GOODS-South, na którym widoczne jest 45 tysięcy galaktyk. Wiele powstało, gdy Wszechświat miał mniej niż 600 milionów lat. (fot: ESA/Webb)

Jeszcze większym echem w świecie astronomii odbiły się wyniki obserwacji najodleglejszych galaktyk, tych, które powstały w trakcie pierwszych setek milionów lat po Wielkim Wybuchu. Wydają się one dużo jaśniejsze, a tym samym zdaniem naukowców bardziej zaawansowane ewolucyjnie, niż sugerowały to modele. Gdyby przyjąć te rezultaty za niepodważalne, to należałoby szukać nowego wyjaśnienia szybkiej ewolucji struktur w młodym Wszechświecie. W przypadku tempa rozszerzania się Wszechświata, bezkompromisowa akceptacja danych z Webba oznaczałaby, że jedna albo druga z metod jest zła. Ewentualnie trzeba wziąć pod uwagę nieznane nam zjawiska, które wypaczają pomiary, lub należy odmiennie traktować ewolucję w epoce wczesnego Wszechświata i obecnie.

Webb najpierw pogłębił problem napięcia Hubble’a, a teraz pokazuje, że może go nie być

Z pewnością nasz obraz Wszechświata nie jest jeszcze idealny i teleskop Webba, a także kolejne, które trafią na orbitę lub powstaną na Ziemi, nie raz zmuszą nas do jego przemyślenia. Jednakże kolejne analizy danych, które publikują astronomowie, pokazują, że obecne problemy jak napięcie Hubble’a czy zbyt jasne galaktyki we wczesnym Wszechświecie, mogą być tylko iluzją, wynikiem pochopnej interpretacji danych.

Webb daje wyższej rozdzielczości obserwacje niż Hubble w podczerwieni dla pojedynczych gwiazd w odległych galaktykach, co pozwala uzyskać precyzyjniejsze pomiary jasności. (fot: NASA/ESA/Webb/Hubble) 

W przypadku napięcia Hubble’a głos zabrali eksperci w dziedzinie pomiarów odległości do bardzo odległych obiektów - Wendy Freedman z zespołem. Również tu posiłkowano się obserwacjami z teleskopu Webba, które same z siebie nie są błędne, ale też zastosowano po raz pierwszy jednocześnie trzy różne metody oceny odległości do 10 różnych galaktyk. Każda z nich bazuje na własnościach gwiazd, jednak cefeidy są tylko jednymi z nich. Dwie pozostałe grupy gwiazd to tak zwane obiekty z Czubka Gałęzi Czerwonych Olbrzymów oraz gwiazdy węglowe. Oba typy gwiazd to obiekty mocno wyewoluowane, jednakże wyróżniające się spójnymi cechami. Pierwsze osiągają ściśle określone maksimum jasności, czyli można tutaj zastosować analizę statystyczną. Drugie to nowy wskaźnik odległości - gwiazdy, które mają konkretną jasność i barwę w bliskiej podczerwieni (dokładnie na długości 1250 nm, gdy światło podczerwone zaczyna się od 750 nm). Mowa tu oczywiście o jasności bezwzględnej, bo obserwowana się zmienia i to właśnie pozwala na ocenę odległości.

Dodatkowo zespół użył pomiarów dla galaktyki o znanej odległości (NGC4258), bo wyznaczonej za pomocą obserwacji radiowych jej jądra, by zweryfikować pomiary. Uzyskane rezultaty okazały się mocno zbieżne z tym, co sugerują obserwacje mikrofalowego tła promieniowania, czyli dały wynik około 69 km/s/Mpc. Wartość dla cefeid wciąż odbiega, bo wynosi 72 km/s/Mpc, ale jest już bliższa spodziewanej i mieści się marginesie dużego, ale jednak błędu. Oznacza to, że wcześniej sygnalizowane napięcie Hubble’a może być wynikiem niewłaściwie dobranych metod analizy obserwacji. Może, bo w astronomii trudno być zawsze w 100 procentach pewnym.

To nie gwiazdy sprawiają, że wczesne galaktyki są superjasne

Drugi problem, jaki wynikł na podstawie analizy obserwacji z Webba, zbyt zaawansowane ewolucyjnie galaktyki, z dużą liczbą gwiazd w młodym Wszechświecie, astronomowie mogą wyjaśnić jeszcze łatwiej. Okazuje się, że entuzjazm, jaki towarzyszył obserwacjom Webba, utrudnił całościowe spojrzenie się na problem.

Naukowcy próbowali wyjaśnić ogromną jasność najodleglejszych galaktyk intensywną aktywnością gwiazdotwórczą i dużą liczbą gwiazd w galaktykach. A okazuje się, że na zwiększenie postrzeganej jasności galaktyki, którą widzimy nie jako skupisko gwiazd, które możemy rozdzielić, a jedynie plamkę czy nawet kropkę o jasności będącej sumą blasku składowych obiektów, wpłynąć mogą dobrze znane nam obiekty. Zlokalizowane w centrach galaktyk supermasywne czarne dziury.

Galaktyka M87, w której centrum znajduje się supermasywna czarna dziura. (fot: ESO)

Konsekwencją akrecji materii wokół czarnej dziury jest jej silne świecenie w wyniku wzajemnego tarcia cząstek. W przypadku centralnych obiektów w galaktykach związany z tym świeceniem dodatkowy blask jest na tyle znaczący, że może stanowić istotny przyczynek do całkowitej jasności galaktyki. To zjawisko, które znamy od dawna. Obserwujemy je wokół czarnej dziury w galaktyce M87, pobliskiej nam w skali Wszechświata, ale też w kwazarach, gdzie wyjaśnia ono ich ogromną jasność.

Do powyższych wniosków doszła Katherine Chworowsky wraz z zespołem w Uniwersytetu Teksasu w Austin. Wniosek zespołu jest następujący - wiele z tych młodych galaktyk wcale nie jest tak masywna, jak to niedawno jeszcze uważano. Co prawda galaktyki są wciąż bardzo jasne, ale ich blask mieści się w górnej granicy teoretycznych oszacowań.

Czarne dziury, a dokładnie wirujący wokół nich i pobudzany do świecenia wodór, może przyczyniać się także do świecenia odległych i zwartych obiektów, które na zdjęciach Webba widoczne są jako „małe czerwone punkciki”.

Nie wszystko daje się wyjaśnić, ale nie trzeba rewolucjonizować nauki

Odpowiedź na początkowe pytanie brzmi - nie, kosmologia nie przeżywa kryzysu. Wiele obserwacji można wyjaśnić, odnosząc się do już znanych zjawisk lub stosując precyzyjniejsze techniki analizy danych obserwacyjnych. Lecz nie wszystko zostało wyjaśnione, jak choćby wciąż obserwowana większa liczba galaktyk w młodym Wszechświecie niż przewidywana przez modele.

Jednak, jak podkreśla Chworowsky, żadna z nich nie jest na tyle masywna, żeby zburzyć porządek Wszechświata. Być może wczesne galaktyki potrafiły efektywniej tworzyć gwiazdy z gazu - dodaje autorka pracy, która ukazała się Astrophysical Journal.

Źródło: phys.org, Univ. Texas, inf. własna