Coś jest nie tak z wiekiem galaktyk. Młody wszechświat ma starców

Nowe analizy danych z JWST sugerują, iż niektóre galaktyki mogą być starsze niż sam wszechświat. Naukowcy pytają, czy nasz model kosmosu w ogóle ma sens.

Wszechświat miał swoje narodziny około 13,8 mld lat temu. Przynajmniej tak się powszechnie przyjmuje. W takim scenariuszu, gdy patrzymy bardzo daleko, widzimy kosmos w wieku zaledwie kilkuset milionów lat – niemowlę, a nie starca. Tymczasem nowe analizy galaktyk zarejestrowanych przez teleskop Jamesa Webba sugerują, iż już w takim młodym wszechświecie pojawiają się obiekty, które według standardowej kosmologii są podejrzanie dojrzałe, a w skrajnym przypadku wręcz starsze niż wszystko dookoła.

Jak liczy się wiek kosmosu i galaktyk?

Obowiązujący dziś obraz kosmosu, tzw. model Lambda-CDM, to współczesna wersja teorii Wielkiego Wybuchu. Z tego zestawu równań fizycy potrafią obliczyć, ile lat ma wszechświat oraz jak stary był w danym momencie w przeszłości, np., gdy miał tylko 700 mln lat, czyli mniej niż 1 mld w skali 13,8 mld lat całej historii.

Kluczem jest zjawisko przesunięcia ku czerwieni, czyli redshift. Gdy wszechświat się rozszerza, fale światła wysyłane przez odległe galaktyki rozciągają się w czasie lotu i ich barwa przesuwa się w stronę czerwieni. Im większy redshift, tym dalej jest galaktyka i tym dalej w przeszłość patrzymy. Przy przesunięciu rzędu 7 astronomowie zaglądają w epokę, gdy pierwsze pokolenia gwiazd dopiero powinny składać się w większe struktury.

Wiek samej galaktyki liczy się zupełnie inaczej. Tu nie wystarczy kosmologiczny zegar – trzeba odczytać historię jej gwiazd. Z widma, czyli rozkładu światła w różnych długościach fal, można wywnioskować, jakie pokolenia gwiazd w niej dominują, jak bardzo są wyżarzone ciężkimi pierwiastkami oraz ile czasu musiało minąć, by powstało takie stado gwiazd. To bardzo skomplikowana układanka, w której mieszają się wpływy pyłu, młodych i starych populacji gwiazd, a choćby aktywność czarnej dziury w centrum.

Te galaktyki nie mieszczą się w kosmicznym kalendarzu

Właśnie na taką układankę rzucił się zespół astrofizyków z Wysp Kanaryjskich, który wziął pod lupę 31 bardzo odległych galaktyk obserwowanych przez teleskop Jamesa Webba. Ich średnie przesunięcie ku czerwieni to około 7,3, co w języku kosmologów oznacza, iż widzimy je takie, jak wyglądały, gdy wszechświat miał mniej więcej 700 mln lat.

Zgodnie z analizą zespołu galaktyki te są jednak średnio starsze, niż powinny. Ich gwiezdne populacje wskazują na wiek rzędu 600 mln lat. Innymi słowy, w świecie, który sam ma 700 mln lat, pojawiają się obiekty, które miałyby za sobą już 600 mln lat ewolucji. To tak, jakby na porodówce zobaczyć 80-latka z pełną dokumentacją medyczną z całego życia. Coś w tej historii nie trzyma się kupy, prawda?

Najbardziej kłopotliwy przypadek to galaktyka o oznaczeniu JADES-1050323, obserwowana przy redshifcie ok. 6,9. Standardowy model daje w tym momencie wiek wszechświata około 800 mln lat. Tymczasem dopasowanie widma tej galaktyki sugeruje, iż jej populacja gwiazd jest tak stara, iż nie da się jej upchnąć poniżej kosmicznej granicy wieku. I to z bardzo wysoką, liczoną statystycznie pewnością. Autorzy pracy szacują, iż szansa, by to była tylko gra przypadku, jest mniejsza niż 1 na 1 mln.

Jeśli te obliczenia okażą się trafne, galaktyka JADES-1050323 jest jak dziecko starsze od własnej matki. A to już nie jest drobny błąd w tabelce, tylko bezpośrednie uderzenie w fundamenty modelu, na którym opieramy praktycznie całą współczesną kosmologię.

Czy nasze modele są zbyt naiwne?

Tak drastyczny wniosek nie oznacza automatycznie, iż Wielki Wybuch się nie wydarzył, a podręczniki należy spalić w piecu. W pierwszym odruchu większość kosmologów zrobi to, co robi nauka zawsze w obliczu szokujących wyników: spróbuje rozwalić je od środka, szukając słabych punktów w metodzie.

Modele wieku galaktyk są bardzo delikatne. Małe zmiany założeń, np. co do składu chemicznego gwiazd, ilości pyłu, domieszki bardzo młodej populacji, która mocno świeci w ultrafiolecie, potrafią znacząco zmienić wynik. Sygnał jest interpretowany przez zestaw modeli teoretycznych, które nie są danymi z pomiaru, tylko naszym najlepszym przybliżeniem rzeczywistości.

Właśnie dlatego tak istotne jest, by inne zespoły spróbowały dopasować widma tych samych galaktyk na własnych zasadach, korzystając z alternatywnych bibliotek modeli. Być może okaże się, iż część nadmetrykalnych galaktyk da się wytłumaczyć bardziej konserwatywnie – jako obiekty wciąż bardzo stare, ale mieszczące się o włos pod kosmicznym limitem.

Jeżeli jednak kolejne analizy potwierdzą dzisiejszy obraz, konsekwencje są już dużo poważniejsze. Pod znakiem zapytania staje nie tylko szczegółowy kształt krzywej rozszerzania się wszechświata, ale i to, jak gwałtownie we wczesnym kosmosie mogły zapadać się chmury gazu, tworzyć pierwsze gwiazdy, a z nich masywne galaktyki. Trzeba by było przyjąć, iż natura działała na pełnym turbo, szybciej niż przewidują obecne symulacje, albo iż sama geometria wszechświata i rola ciemnej energii wyglądały inaczej, niż dotąd sądziliśmy.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI