Pozorování velmi masivních galaxií krátce po Velkém třesku mění pohled na jejich evoluci

Vesmírný dalekohled Jamese Webba pozoroval šest velmi hmotných galaxií s hmotností větší než deset miliard hmotností Slunce, které vznikly dříve než 700 milionů let po začátku rozpínání našeho vesmíru. Zatím se standardně předpokládalo, že tak brzy po začátku Velkého třesku mohly existovat jen méně hmotné galaxie. Potvrzuje se tak předpoklad, že Webbův teleskop povede v řadě případů ke změně pohledů na vývoj různých objektů našeho vesmíru.

Nedávno pozoroval Webbův teleskop nové podrobné detaily kupy galaxií Pandora, pomocí jejího využití při čočkování pozoruje i velmi vzdálené galaxie (zdroj NASA).

Nedávno byl na Oslovi publikován přehled objevů Webbova teleskopu během jeho prvního roku činnosti. Díky tomu, že Webbův teleskop pracuje v infračervené oblasti, je možné vylovit ty nejvzdálenější galaxie. V rozpínajícím se vesmíru se totiž od nás objekty s rostoucí vzdáleností stále rychleji vzdalují. Pozorujeme tak kosmologický rudý posuv, kdy vlnová délka světla objektu posunuje do stále červenější oblasti. Pro extrémně vzdálené objekty se pak záření dostává do infračervené oblasti. Ve Webbově teleskopu jsou tak právě tyto objekty zářící dominantně v infračervené oblasti zvýrazněny a jasné i v extrémních vzdálenostech. Zvláště, pokud se nacházejí za velmi hmotnou kupou galaxií, která pak díky gravitačnímu čočkování funguje jako objektiv extrémně velkého vesmírného dalekohledu.

Ve zmíněném přehledu se popisoval objev prvních galaxií, které jsou nejmladší, jaké jsme doposud mohli vidět. Ty pozorované vznikly dříve než 400 milionů let po začátku rozpínání našeho vesmíru. Čtyři, jejichž fotografie a spektra z Webbova teleskopu se prezentovaly, měly rudý kosmologický posuv větší než 10 a dosahoval až hodnoty 13. V tomto případě nešlo o příliš masivní galaxie. Dalším zajímavým galaxiím, které Webbův teleskop pozoroval, se říká „zelený hrách“. Tyto malé kompaktní galaxie svítící do zelena byly objeveny na snímcích astronomické přehlídky SLOAN. Na něm jsou ty blíže položené a září tam jako kompaktní malá zelená kolečka, vizuálně podobná zrnkům hrachu. Odtud pochází zmíněné označení. V přehlídce SLOAN se takové galaxie vyskytují jen v 0,1 % případů pozorovaných galaxií. Krátce po začátku Velkého třesku se vyskytovaly daleko častěji a měly také jiné chemické složení, dramaticky nižší byl u nich obsah kyslíku. Zároveň je jejich barva přesunuta kosmologickým rudým posuvem do červené až infračervené oblasti. Podrobnější popis i s fotografiemi je ve zmíněném přehledu.

V nejnovějším článku v časopise Nature z 22. února 2023 publikuje kolektiv astronomů pozorování šesti galaxií, které mají rudý posuv mezi 7,4 až 9,5 a pozorujeme je v době, kdy od začátku rozpínání našeho vesmíru uplynulo jen mezi něco mezi 700 až 500 milióny let. Jak bylo zmíněno, Webbův teleskop už pozoroval vzdálenější galaxie. Novinkou u této šestice je, že jejich hmotnost je velmi velká. Přesahuje 10 miliard hmotností Slunce a u jedné je dokonce okolo 100 miliard hmotností Slunce. Připomeňme, že naše Galaxie má hmotnost normální hmoty okolo 300 miliard hmotností Slunce, samotné hvězdy mají hmotnost okolo 60 miliard hmotností Slunce. Ta poslední hmotnost je pak tou, kterou můžeme získat z jejich jasnosti u vzdálených galaxií. Naše Galaxie patří i v současné době mezi ty robustnější, a velmi robustní by tak měly být i ty Webbovým teleskopem objevené galaxie z počátku rozpínání vesmíru.

Velmi vzdálené galaxie byly objeveny v rámci programu prvních pozorování Webbova teleskopu oblasti pole JADES zahrnující oblast u pólu Galaxie v souhvězdí Pece pozorovanou při studiu velmi vzdálených galaxií už Hubblovým teleskopem (zdroj NASA).

Současné teorie evoluce galaxií v raném vesmíru spíše předpokládají, že nejdříve vznikají galaxie s menší hmotností, a teprve později se vyvinou do masivní podoby. Existence galaxií s hmotností desítek miliard hmotností Slunce v takto raném stádiu rozpínání vesmíru se nepředpokládalo. Už předchozí pozorování galaxií „zelený hrách“ ukázalo, že lze pomoci Webbova dalekohledu studovat evoluci galaxií v našem vesmíru. Nynější pozorování ukazuje, že Webbův teleskop může změnit náš pohled na evoluci galaxií v raném období našeho vesmíru.

Byl opravdu Velký třesk?

Než se na tento objev podíváme podrobněji, připomeňme si některá základní fakta okolo současných kosmologických teorií. Ve čtvrtek jsem v Moravské zemské knihovně přednášku o tom, zda byl opravdu Velký třesk, a jak je možné o této otázce rozhodnout. Velký třesk je teorie, že vesmír byl v minulosti ve velmi horkém a hustém stavu, ze kterého se pak rozpínal v souladu se současnou teorií struktury hmoty (Standardní model hmoty a interakcí) a současnou teorií gravitace (Obecná teorie relativity), až dospěl do současné podoby.

Připomeňme si základní experimentální skutečnosti, které podporují teorii Velkého třesku. První je pozorování rozpínání vesmíru a už zmíněného kosmologického rudého posuvu. Druhým je pozorování reliktního mikrovlnného záření. Třetím je existenci primordiálního helia, tedy nadbytečné množství helia, které nelze vysvětlit produkcí ve hvězdách. A konečně čtvrtým pak evoluce galaxií a hvězd, tedy faktu, že hvězdy a galaxie v raném vesmíru mají jiné vlastnosti a složení než ty současné. A právě to třeba pozoruje i Webbův teleskop.

Existence Velkého třesku je zmíněnými experimentálními fakty dost jasně prokázána. Ty jsou navíc stále přesněji, detailněji a v širším záběru potvrzovány dalšími pozorováními pořád většími a dokonalejšími astronomickými přístroji. Už těžko si dovedu představit, že by bylo ještě možné obhájit teorii statického vesmíru, kterou zastával třeba excelentní astrofyzik Fred Hoyle.

Průběh a jednotlivé etapy Velkého třesku. Ten popisuje teorii, že vesmír byl na svém počátku extrémně horký a hustý, a od této doby se rozpíná. Od jistého času zhruba 1 ps (dané teplotou a hustotou) probíhá toto rozpínání podle popisu Standardního modelu hmoty a interakcí a Obecné teorie relativity.

Osobně považuji za vyloučenou i hypotézu, která sice předpokládá oscilující vesmír, který se nyní rozpíná, neprošel však extrémně horkým a hustým stádiem a změna od smršťování k rozpínání proběhla v podmínkách, kdy jeho teplota a hustota nepřekročila příliš vysoké hodnoty. Takový kosmologický model zastává například Václav Vavryčuk. Jeho součástí je rozpínání vesmíru a rudý posuv, ale mikrovlnné záření vysvětluje pomocí tepelného záření vesmírného prachu, bez nutnosti extrémně vysokých teplot a hustot. Problém však zůstává s vysvětlením podílu helia a dalších nejlehčích prvků a evoluce hvězd a galaxií. Rozbor této hypotézy jsem předložil v dřívějším článku na Oslovi.

Současné fyzikální teorie dokáží popsat fyziku při podmínkách, teplotách a hustotách, které panovaly v našem vesmíru zhruba od 1 ps od začátku jeho rozpínání. V té době byla hmota ve formě kvark-gluonového plazmatu, tedy systému složeného z volných kvarků a gluonů. Zhruba v době 10 μs došlo k hadronizaci této hmoty, tedy k vázání kvarků silnou interakcí do hadronů, tedy baryonů složených ze tří kvarků nebo mezonů složených z kvarku a antikvarku. Jak teplota hmoty dále klesala, nemohly v ní vznikat těžší baryony a mezony. Mezony se tak rozpadly úplně a baryony zůstaly pouze ty nejlehčí, kterými jsou proton a neutron.

Okolo tří minut od začátku rozpínání došlo k vázání části neutronů do jader hélia případně deuteronu a ve velmi omezené míře i těžšího prvku lithia. Mluvíme o etapě primordiální nukleosyntézy. Ta je zodpovědná za velkou část současného množství hélia.

Další kritická etapa nastala zhruba 400 tisíc let po začátku rozpínání. V té době poklesla teplota natolik, že nestačila k udržení ionizace plazmatu a jádra s elektrony vytvořily neutrální atomy. Fotony, které také vyplňovaly vesmír, už neměly dostatek energie k ionizaci a přestaly tak interagovat s hmotou. Vzniká tak reliktní záření, které dalším rozpínáním vesmíru postupně chladne, energie fotonů klesá a jejich vlnová délka proto postupně roste, nyní je tak pozorujeme jako mikrovlnné záření.

Vztah mezi měřeným rudým posuvem z a vzdáleností v miliardách světelných let. Červená přerušovaná čára ukazuje vzdálenost, kterou urazilo světlo s daným rudým posuvem, a tedy i doba, která od jeho vyzáření uplynula. Černá plná čára ukazuje „současnou“ vzdálenost objektu, který záření vyzářil, od nás. Zobrazený vztah platí v případě správnosti Standardního kosmologického modelu se stářím vesmíru 13,8 miliard let. (Zdroj Wiki)

Poslední zlomová událost nastala zhruba 200 milionů let po začátku rozpínání a je spojena s tím, že začaly vznikat první hvězdy. Jejich záření ionizovalo část okolního plynu a mluvíme tak o době reionizace. Od té doby existují hvězdy a galaxie, a ty první jsou nejvzdálenějšími objekty, které může v principu Webbův teleskop pozorovat.

Jak jsem zmiňoval, Velký třesk je velmi dobře experimentálně potvrzenou teorií. U ní je velmi nepravděpodobné, že by byla popřena. Jinou záležitostí je teorie popisu přesného průběhu Velkého třesku. Hlavně však to, co se dělo v době před první pikosekundou rozpínání, kdy byly teplota a hustota tak velké, že světu vládla fyzika, u které teorii popisu ještě neznáme. Podmínky byly takové, že svět ovládala exotická, nám dosud neznámé fyzikální zákonitosti.

Důležité je, že tato exotická fyzika za Standardním modelem hmoty a interakcí ovlivňuje podobu vesmíru v době po první pikosekundě rozpínání, kdy jej lze popsat známými teoriemi. V tom případě je tak do našeho popisu zahrnujeme jako okrajové podmínky. Náš Standardní kosmologický model tak obsahuje prvky, které jsou mimo Standardní model hmoty a interakcí a Obecnou teorii relativity. Jde například o takové fenomény, jako jsou temná hmota a temná energie, a také nutnost realizace inflační etapy rozpínání vesmíru v době, kdy v něm panovala exotická fyzika, kterou zatím nedokážeme popsat.

Zde je celá řada hypotéz, které mohou tyto fenomény vysvětlit. Současný Standardní kosmologický model označovaný jako ΛCDM obsahuje předpoklad, že temná hmota je způsobena neznámou formou hmoty (částic) a temná energie specifickým typem pole. V označení je Λ symbolem pro temnou energii (kosmologickou konstantu) a CDM je Cold Dark Matter. Připomeňme, že současný ΛCDM kosmologický model a jeho parametrizace s využitím dostupných experimentálních dat vede ke složení vesmíru s podílem 4,9 % baryonů (normální hmoty), z něhož 4,5 % je plyn a 0,4 % svítící hvězdy, temná hmota tvoří 25,8 % a temná energie 69,2 %. Podrobněji o kandidátech na temnou hmotu se psalo v dřívějším článku. Vysvětlení temné hmoty však můžeme hledat i pomocí modifikace popisu gravitační interakce působící na velké vzdálenosti. Tím, že teorie popisující tyto fenomény neexistuje, je otázka jejich přesného popisu otevřená. Podrobněji o přístupu ke kosmologii a kosmologickým modelům v dřívějším článku.

Šest galaxií, jejichž hmotnosti překračují 10 miliard hmotností Slunce, které existovaly již dříve než 700 milionů let po začátku rozpínání vesmíru (zdroj NASA).

Pozorování velmi hmotných galaxií brzy po vzniku prvních hvězd

Vývoj vesmíru v podmínkách, kdy platí fyzika Standardního modelu hmoty a interakcí, tedy třeba i evoluce galaxií a kup galaxií, bychom v principu měli umět popsat. Jde však o mnohočásticový systém a jejich vývoj ovlivňuje i rozložení temné hmoty. Proto jsou naše znalosti raného vývoje galaxií omezené. A právě v této oblasti by nám mohl Webbův teleskop pomoci.

Umožňuje ukázat galaxie i co nejblíže době reionizace a studovat jejich evoluci v raných obdobích našeho vesmíru. Podle současných představ v ΛCDM kosmologickém modelu vznikaly galaxie s vysokou hmotností postupným splýváním menších galaxií a vzniklé větší systémy pohlcovaly stále více těch malých. Blízko doby reionizace by tak galaxie měly mít pouze nižší hmotnosti a velmi hmotné galaxie by se zde neměly vyskytovat. Proto je objev šestice galaxií s hmotností přes 10 miliard slunečních hmot existujících v době do 700 milionů let od začátku rozpínání vesmíru opravdu překvapením a může významně ovlivnit náš pohled na vznik a evoluci galaxií.

Při zjišťování hmotnosti galaxií se využívá měření záření vodíku, konkrétně hrana Balmerovy série čar tohoto prvku. Ta se u vzdálených galaxií rudým posuvem dostává do infračervené oblasti k vlnovým délkám až 2,5 μm a výše. Lze tak ze svítivosti v této oblasti spektra získat odhad hmotnosti galaxie. Taková metoda určení hmotnosti galaxie má pochopitelně své nejistoty. Nevíme, zda poměr mezi jasností galaxie v dané oblasti spektra a její hmotností je u těch současných stejný jako u těch v raném stádiu vývoje vesmíru. Může být ovlivněn i aktivními jádry galaxií, jejichž vliv může být různý v různých vývojových stádiích vesmíru. Omezenou přesnost má i analýza spektra u tak vzdálených galaxií.

Zatím jde o předběžné výsledky, vědci plánují s využitím Webbova teleskopu provést přesnější studium spekter těchto šesti galaxií, ale také hledání dalších podobných. Vyšší statistika pozorování by mohla umožnit potvrdit a vylepšit metodiku určování hmotnosti z jasnosti spektrálních čar galaxie.

Je tak ještě brzo na to, abychom měnily naše představy o vývoji galaxií v raném vesmíru. V každém případě se ukazuje, že Webbův teleskop má obrovský potenciál pro testování raných etap vývoje vesmíru a galaxií v něm. Pokud se představené výsledky pozorované u šesti galaxií ukáží jako reálné v tomto období rozvoje vesmíru, bude potřeba posunout start tvorby galaxií do dřívější doby nebo pohled na jejich evoluci změnit i dramatičtěji.

Beseda na téma „Co by kdyby“ o energii i fundamentální fyzice společně s Danou Drábovou, Martinem Rotou a Janem Tomaštíkem

Autor: Vladimír Wagner

Datum: 26.02.2023

Tisk článku

Související články:

Rozptyl fotonů na fotonech Autor: Vladimír Wagner (11.08.2020)
Kosmologie na prahu éry Webbova teleskopu Autor: Vladimír Wagner (20.01.2022)

Diskuze:

otázka pro pana Vagnera

Erik Kollár,2023-02-28 14:06:25

Ak uvažujeme teóriu, že veľkým treskom vznikol čas aj priestor, vyplýva nám z nej zákonite inflácia v prvom krátkom období (pozorovaná izotropnosť a homogenita viditeľného vesmíru).
Moja otázka:
Nedalo by sa uvažovať takým spôsobom, že by sme predpokladali vznik vesmíru nie zo singularity, ale z určitého priestoru, vo forme homogénneho kvark-gluonoveho substrátu (v ktorom sa nič neodohráva, ale má objem, rozmery a vlastnosti, ktoré determinujú ďalší vývoj vesmíru v čase)?
Že by vesmír získal veľkým treskom práve len vektor času. S následkami ktoré pozorujeme.

Možno by sa takýmto výkladom dalo vysvetliť niekoľko paradoxov inflačnej teórie.
Pozorovaná expanzia by potom mala jednoduchšiu krivku smerom od času 0 (a možno by sa dala vysvetliť aj zrýchľujúca expanzia brzdením negravitačnými vplyvmi v priebehu ranej histórie vesmíru... Čo si o tom myslíte?
Ešte ma napadá možnosť, že gravitácia ako taká je v tom prípade určitá forma dostredivej sily (pokrčenia časopriestoru) proti expanzii, nejaký parameter, nie v jednom smere ale vo všetkých smeroch (:-) to je asi už out of reality...
(Ten štandardný obrazec histórie vesmíru v podobe rukávu, či zvonu v 3d projekcii by potom nezačínal bodom, ale plochou)
Vysvetlilo by mi to skorší výskyt galaxií, kužel horizontu... a nepotrebovalo temnú energiu. Singularitu by to vylúčilo z vesmíru. Čierne diery by som potom vnímal ako návrat do stavu pred (s tým, že vyparením a následnou explóziou získame nový časový vektor) .
Ďakujem za prípadnú odpoveď filozofujúcemu laikovi.