Najstarsza galaktyka w odległości 13,5 miliarda lat świetlnych. Co w tym zdaniu jest źle?

W swojej Teorii Względności Albert Einstein wprowadził pojęcie czasoprzestrzeni. Choć często używamy go w potocznym znaczeniu, nie jest w ogólności łatwe zagadnienie. Choć przy pewnych, dość daleko idących uproszczeniach można zrozumieć, dlaczego mówiąc o odległościach w kosmosie nie można zapominać o czasie.

Najdalsze galaktyki nie są najstarsze w dosłownym tego słowa znaczeniu, wręcz przeciwnie

Odpowiedź na pytanie w tytule tekstu jest następująca. Kłopot mamy tutaj na wielu płaszczyznach. Po pierwsze ze stwierdzenia „Najstarsza galaktyka w odległości 13,5 miliarda lat świetlnych” nie wynika:

1. Czy to odległość jaką przebyło światło od momentu wyemitowania przez gwiazdy w tej galaktyce?,
2. Czy to faktyczna odległość do galaktyki w danej chwili?
3. Nie jest tez jednoznacznie określone, czy mowa o najstarszej galaktyce wśród tych w odległości 13,5 miliarda lat świetlnych, czy w ogóle.

Pozostaje tu jeszcze kwestia zdefiniowania sobie pojęcia dana chwila, ale załóżmy, że to ten sam moment w każdym miejscu Wszechświata. I tak:

• Jeśli to pierwsza opcja, to galaktyka może mieć dziś około 13,5 miliarda lat o ile jeszcze istnieje. Lecz nie ma podstaw, by sądzić tak z całkowitą pewnością. W ciągu tych 13,5 miliarda lat galaktyka ta mogła na przykład w wyniku zderzenia się z inną ulec rozpadowi lub połączyć się z inną tworząc coś nowego. Poza tym, skoro obserwujemy światło wyemitowane 13,5 miliarda lat temu to obserwujemy galaktykę młodą, a nie starą, która dopiero co się uformowała, bo dopiero co powstały pierwsze gwiazdy we Wszechświecie. Stara to może ona być obecnie, ale jej aktualny obraz ujrzelibyśmy za co najmniej kilkadziesiąt miliardów lat.
• Jeśli słuszna jest druga opcja, czyli obecna odległość to 13,5 miliarda lat świetlnych, to mamy dwie opcje. Albo galaktyka powstała w początkach Wszechświata i zaobserwowano ją, gdy była już całkiem dorosła co najczęściej ma miejsce, albo powstała znacznie później i była też młoda w momencie obserwacji. To jest możliwe choć znacznie mniej prawdopodobne ze względu na coraz mniejszą ilość materiału, który może być wykorzystany do tworzenia całkowicie nowych galaktyk (pomijamy tu kreację nowych galaktyk w wyniku zderzeń już istniejących).

Jedne z odleglejszych galaktyk w kosmosie. Pierwsza istniała 450 milionów lat po Wielkim Wybuchu, druga 350 milionów lat. Przy założeniu, że zaczęły formować się w tym samym momencie, pierwsza jest widziana jako starsza od drugiej. (Źródło: NASA/Webb)

Teoretycznie istnieje więc możliwość, że galaktyka, która powstała w początkach Wszechświata nie przetrwała do naszych czasów, a ta, która powstała miliardy lat później, wciąż istnieje. W takim układzie to ta druga może być starsza. Ba, można nawet wyobrazić sobie sytuację, że to wcale nie najodleglejsza obserwowalna galaktyka będzie tą obserwowaną w najwcześniejszej fazie istnienia, a jedna z tych bliższych.

Są nawet obserwacje takich pobliskich w kosmicznej skali odległości galaktyk, a wciąż młodych. Poza tym w danych z teleskopu Webb odkryto znaczne podobieństwa najodleglejszych obserwowanych galaktyk do tak zwanych Zielonych groszków, czyli niewielkich galaktyk z bardzo aktywnymi procesami gwiazdotwórczymi, które są znajdują się bliżej Drogi Mlecznej i według niektórych teorii mogą być młode.

Ogólnie przyjmuje się, że te najodleglejsze galaktyki, które powstały w początkach wszechświata są inne niż te, które obserwujemy w naszym otoczeniu, ze względu na znacznie mniejsze rozmiary i skład tworzących te pierwsze galaktyki gwiazd. Webb dostrzegł jednak też inną ciekawą rzecz, która zaintrygowała astronomów. Już galaktyki, które istniały 2,5 do 5,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu wyglądają na bardzo dojrzałe wyglądem, a wiele z nich ma poprzeczki podobnie jak Droga Mleczna.

W tym przypadku T to czas jaki upłynął od wyemitowania światła przez galaktykę (Żródło: NASA/CEERS/University of Texas at Austin)

Lubimy informację krótką, a resztę dopowiemy sobie sami (a czy prawidłowo to inna sprawa)

Skąd tyle niedomówień, od których może rozboleć głowa. To po prostu konsekwencja uproszczeń w przekazywaniu informacji, które w praktyce aż tak nie psują nam pojmowania rzeczywistości, choć z pewnością czynią wyobrażenie obecnego Wszechświata trochę innym niż to właściwe.

Choć to teleskop Webb zaobserwował galaktykę JADES-GS-z13-0, która istniała jedynie 325 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a tworzące ją gwiazdy były jeszcze młodsze, to my możemy obserwować jedną z najstarszych gołym okiem. To nasza Droga Mleczna. Najstarsze gwiazdy, które w niej dostrzeżemy przez teleskopy istniały w tym samym czasie co te najodleglejsze galaktyki.

Zakładamy bowiem, że tytułowa galaktyka istnieje, więc skoro istniała niedługo po Wielkim Wybuchu, to będzie dziś jedną z najstarszych, a w momencie obserwacji była bardzo młoda. I to jest założenie całkiem prawdopodobne. Jednak to, że skoro światło pokonało te 13,5 miliarda lat świetlnych, to w takiej odległości galaktyka się znajduje, jest całkowicie błędnym.

Obejrzyj w

W rzeczywistości w danym kierunku w odległości 13,5 miliarda lat świetlnych w tej chwili jej nie ma. Jest ona znacznie dalej. Nawet jeśli z tego zdajecie sobie sprawę, to trzeba pamiętać też, że znajdowała się ona znacznie bliżej Drogi Mlecznej niż owo 13,5 miliarda lat świetlnych, gdy wyemitowała obserwowane dziś światło. Dobrze ilustruje to powyższa animacja, która przy okazji tłumaczy zjawisko poczerwienienia kosmologicznego.

Co ciekawe niektóre galaktyki w wyniku inflacji kosmologicznej znalazły się tak daleko od naszej, że nawet światło nie dało rady dotrzeć do nas od nich w czasie istnienia Wszechświata. Dlatego nigdy nie zobaczymy tych najodleglejszych galaktyk jeśli nośnikiem informacji jest światło.

Pół biedy, gdy otrzymujemy wytłumaczenie, że w praktyce widzimy dawny obraz galaktyki i wskazówkę jaki może być jej wiek. A my jednocześnie mamy gdzieś z tyłu głowy wiedzę, że wiek wszechświata nie jest wprost proporcjonalny do jego aktualnego rozmiaru. Gorzej, gdy o tym się nie wspomina. Wtedy trzeba resztę dorozumieć, zwykle prawidłowo, ale możliwość błędu pozostaje.

Dlatego zdanie tytułowe powinno brzmieć „Najodleglejsza dostrzegalna galaktyka widziana taką jaką była 13,5 miliarda lat temu.”. Ale to bardziej skomplikowane sformułowanie i wciąż nie mówi ile lat miała ta galaktyka gdy ja zaobserwowano. Choć w tym przypadku wiadomo, że musiała być bardzo młoda, bo Wszechświat ma nie więcej niż 13,8 miliarda lat.

Efekty relatywistyczne dają o sobie znać bardzo szybko

Taka to jest konsekwencja ogromnej, choć skończonej prędkości światła. W świecie prędkości z jakimi poruszamy się my lub budowane przez nas pojazdy i odległości porównywalnych z rozmiarem Ziemi, informacja dociera do nas praktycznie natychmiast.

Ale już nawet w świecie satelitów nawigacji satelitarnej, nie można mówić o natychmiastowości zdarzeń, trzeba uwzględniać efekty relatywistyczne (związane ze skończoną prędkością światła). Są one (zdarzenia) umiejscowione zarówno w przestrzeni jak i w czasie. I stąd teoretycznie ta czasoprzestrzeń. Choć w praktyce sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana niż to proste wyjaśnienie.

Źródło: inf. własna