Pierwsze światło we wszechświecie

Dlaczego wszechświat wygląda w ten sposób? Jest to jedno z otwartych pytań w astrofizyce i fizyce w ogóle. W ciągu pierwszego miliarda lat Wszechświat ewoluował z nieuporządkowanej zupy cząstek o wysokiej energii w bardziej zorganizowany zbiór galaktyk i gwiazd, jednak wiele szczegółów tego procesu wciąż umyka nam.

W niedawnych badaniach międzynarodowy zespół naukowców przeanalizował obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, skupiając się na galaktykach karłowatych z wczesnego Wszechświata, i odkrył, że galaktyki te emitują światło ze znacznie większą intensywnością, niż oczekiwano. Badania te stanowią przełom w naszej wiedzy o pierwszych źródłach światła we wszechświecie.

Zaraz po Wielkim Wybuchu wszechświat przeszedł szybką ekspansję, osiągając niezwykle wysokie temperatury i poziomy energii: średnia temperatura cząstek we wszechświecie wynosiła około 10^30 stopni Celsjusza.

Przy tak ogromnym upale cząstki subatomowe nie mogły się ze sobą wiązać i dlatego były pozbawione materii, jaką znamy dzisiaj. Mniej więcej sekundę później Wszechświat ochłodził się do temperatury około miliarda stopni, a cząstki subatomowe – elementy składowe materii według Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych – zostały utworzone, związały się i utworzyły protony i neutrony.

Zanim Wszechświat miał około dwudziestu minut, ostygł już do temperatur setek tysięcy stopni Celsjusza. Następnie protony i neutrony zaczęły wiązać się z jonami wodoru, helu i litu.

Ze względu na wysoką temperaturę Wszechświata cząstki zachowywały bardzo wysoką energię, więc elektrony nie były w stanie łączyć się z protonami, tworząc stabilne atomy. W rezultacie znaczna część Wszechświata istniała w stanie plazmy, czyli środowisku naładowanych elektrycznie cząstek krążących wokół siebie. Plazma ta blokowała promieniowanie elektromagnetyczne, uniemożliwiając swobodne rozprzestrzenianie się światła po całym wszechświecie.

Przez następne 370 000 lat Wszechświat nadal się ochładzał, aż jego temperatura osiągnęła około 4000 stopni. W tym momencie elektrony w końcu były w stanie związać się z plazmą, tworząc neutralne atomy. W tej fazie zostało uwolnione kosmiczne promieniowanie tła, które zapewnia wgląd we wczesny Wszechświat. Promieniowanie to mogło przemieszczać się do nas na duże odległości, ponieważ nie utrudniała mu obecność plazmy.

W tym momencie, gdy Wszechświat miał około 400 000 lat, składał się głównie z obojętnych atomów wodoru i helu równomiernie rozmieszczonych w przestrzeni. Na dzisiejszym nocnym niebie nie było znanych nam gwiazd, galaktyk ani innych złożonych ciał niebieskich. W szczególności nie było źródeł światła, a wszechświat był pokryty ciemnością.

Dopiero około 20 milionów lat później, gdy Wszechświat nadal się rozszerzał i gwałtownie ochładzał, powstały najstarsze źródła światła we wszechświecie. Astrofizycy badający historię wszechświata wciąż nie są pewni natury i pochodzenia tych źródeł światła, kiedy powstały i w jaki sposób.

Dominujące teorie dotyczące najstarszych źródeł światła we wszechświecie sugerują, że mogą to być masywne czarne dziury, masywne galaktyki lub młode gwiazdy. Kompleksowa teoria wyjaśniająca powstawanie gwiazd i galaktyk we wczesnym Wszechświecie nie została jeszcze sformułowana, a fizycy wciąż próbują zrozumieć, kiedy i jak pojawiły się we wszechświecie pierwsze źródła światła.

Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który został wystrzelony pod koniec 2021 roku, badacze rozpoczęli obserwację bardzo odległych galaktyk. Ponieważ światło przemieszcza się ze skończoną prędkością, światło z odległych galaktyk potrzebuje dużo czasu, aby do nas dotrzeć. Naukowcy skupili swoje obserwacje na świetle emanującym z galaktyk około 13 miliardów lat temu, które obecnie dociera do teleskopu, umożliwiając im dostrzeżenie procesów zachodzących we wczesnym Wszechświecie.

Te odległe galaktyki wydają nam się takie, jakie były miliardy lat temu, kiedy były młodymi galaktykami emitującymi mniej światła w porównaniu z innymi ciałami kosmicznymi. Dlatego trudno jest obserwować tak odległe galaktyki metodami konwencjonalnymi.

Aby obejść ten problem, badacze zastosowali najnowocześniejszą technikę opartą na ogólnej teorii względności Einsteina, która sugerowała, że ​​ciężkie masy mogą zakrzywiać przestrzeń i zaginać ścieżkę światła przechodzącego w ich pobliżu.

Naukowcy skupili się na galaktykach znajdujących się za masywną gromadą galaktyk Abell 2744, która ze względu na swoją dużą masę działa jak soczewka grawitacyjna, powiększając i skupiając światło dochodzące zza niej. Pozwoliło to naukowcom zwiększyć ilość światła docierającego do teleskopu, ułatwiając dokładniejsze obserwacje.

Naukowcy przeanalizowali światło pochodzące z galaktyk karłowatych, które zawierają tylko około miliarda gwiazd. Dla porównania, Droga Mleczna, w której żyjemy, zawiera setki miliardów gwiazd. Naukowcy dokładnie przeanalizowali obserwacje i odkryli, że te galaktyki karłowate emitują promieniowanie czterokrotnie silniejsze niż wcześniej szacowano.

Co więcej, te galaktyki karłowate występowały częściej we wczesnym Wszechświecie niż większe galaktyki. W rezultacie badacze spodziewają się, że większość wczesnych źródeł światła we Wszechświecie stanowiły galaktyki tego typu.

Niniejsze badanie jest kolejnym przykładem osiągnięcia naukowego osiągniętego przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Chociaż wyniki są godne uwagi, badacze podkreślają, że aby wzmocnić wnioski, potrzebne są dalsze badania, w tym obserwacje szerszej próbki galaktyk.