Μπορεί το JWST να καταρρίψει τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης;

Η απάντηση είναι μάλλον όχι! Ας δούμε το γιατί:

Το James Webb Space Telescope ξεκίνησε το διαστημικό και επιστημονικό του ταξίδι πριν από σχεδόν 2 χρόνια, και ήδη οι παρατηρήσεις του – από το Ηλιακό Σύστημα μέχρι τους μακρινούς γαλαξίες – έχουν εντυπωσιάσει τους επιστήμονες. Την ίδια στιγμή έχουν αποτελέσει βάση για μια σειρά αμφίσημων άρθρων επικοινωνίας της επιστήμης, με πιο χαρακτηριστικά αυτά που υποστηρίζουν ότι το νέο τηλεσκόπιο καταρρίπτει το επικρατές κοσμολογικό παράδειγμα της Μεγάλης Έκρηξης.

Αρχικά, τι περιλαμβάνει η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης; Παρότι ιστορικά έχει περιγραφεί με διάφορους τρόπους, σήμερα με τον όρο Μεγάλη Έκρηξη εννοούμε ότι το Σύμπαν στο παρελθόν πέρασε από μια φάση υψηλής θερμοκρασίας και πυκνότητας, και διαστέλλεται με αποτελέσμα η πλειοψηφία των γαλαξιών να απομακρύνεται από εμάς. Η θεωρία αφήνει τα ερωτήματα για τις αρχικές στιγμές του Σύμπαντος αναπάντητα μέχρι στιγμής.

Τι παρατήρησε το JWST που οδήγησε σε αυτή την “αμφισβήτηση” της Μεγάλης Έκρηξης; Νεαρούς γαλαξίες! Να υπενθυμίσουμε σε αυτό το σημείο ότι το “αδελφάκι” του Hubble Space Telescope πραγματοποιεί τις παρατηρήσεις του στα υπέρυθρα μήκη κύματος, δηλαδή σε μήκη κύματος μεγαλύτερα από το οπτικό, το φως που βλέπουν τα μάτια μας και στο οποίο παρατηρούσε το Hubble. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στο νέο τηλεσκόπιο να συλλέγει από τη μία πλευρά ακτινοβολία από περιοχές που δε φαίνονται στα ορατά μήκη κύματος, αλλά από την άλλη πλευρά να μπορεί να παρατηρεί σε μεγαλύτερες αποστάσεις, ή αλλιώς μακρύτερα στο παρελθόν, εξαιτίας του φαινομένου που λέγεται ερυθρομετατόπιση. Με λίγα λόγια, εξαιτίας της διαστολής του Σύμπαντος, τα μήκη κύματος του φωτός των πρώτων γαλαξιών “επιμηκύνονται”, με αποτέλεσμα αυτοί να είναι πλέον ορατοί στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Με την ίδια λογική, όσο πιο μακριά βρίσκεται ένας γαλαξίας, τόσο μεγαλύτερο το βασικό μήκος κύματος της ακτινοβολίας που λαμβάνουμε*.

Πού είναι το πρόβλημα λοιπόν; Το βασικό επιχείρημα έχει ως εξής: τα μεγέθη και οι μάζες των μακρινών αυτών γαλαξιών, φαίνεται να είναι πολύ μεγάλα – σε κάποιες περιπτώσεις εκτιμάται ότι έχουν μάζες ίσες με τον δικό μας Γαλαξία. Πού είναι το περίεργο; Ο δικός μας Γαλαξίας, όπως και οι πιο κοντινοί γαλαξίες, είχαν δισεκατομμύρια χρόνια να μεγαλώσουν – να συγχωνευτούν με άλλους, να συσσωρεύσουν μάζα από το διαγαλαξιακό υλικό – σε αντίθεση με τους νεαρούς αυτούς γαλαξίες, που είχαν – σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο – μόλις λίγα εκατομμύρια χρόνια. Πώς τελικά κατάφεραν να είναι τόσο μαζικοί; Μήπως φταίνε τα μοντέλα μας, και πιο συγκεκριμένα το παράδειγμα της Μεγάλης έκρηξης;

Όπως αναφέραμε και στην αρχή, η απάντηση είναι μάλλον όχι. Για μια σειρά λόγους:

1) Η βαθμονόμηση του τηλεσκοπίου: Τα όργανα του JWST πρέπει αρχικά να ελεγχθούν με την παρατήρηση κάποιων γνωστών αστρονομικών αντικειμένων, δηλαδή αντικειμένων που έχουμε παρατηρήσει με μια σειρά μεθόδους και γνωρίζουμε αρκετά καλά τις ιδιότητες τους. Αυτό θα μας βοηθήσει να ελέγξουμε ότι το JWST παρατηρεί “σωστά” και, όπου χρειάζεται, να γίνουν οι απαραίτητες τεχνικές διορθώσεις στα όργανα.

2) Οι αποστάσεις των γαλαξιών: Η μέτρηση αποστάσεων στο Σύμπαν είναι μία εξωφρενικά δύσκολη διαδικασία – δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε απλάμια μεζούρα. Σαν αποτέλεσμα, οι αρχικές αποστάσεις των γαλαξιών αυτών πρέπει να ελεγχθούν προσεκτικά. Ένα πρόβλημα μπορεί να είναι η βαθμονόμηση που αναφέραμε παραπάνω. Ένα δεύτερο, αρκετά σημαντικό βήμα, είναι η καταγραφή αποστάσεων με βάση τα φάσματα των γαλαξιών αυτών – για πολλούς από αυτούς τους γαλαξίες, οι αποστάσεις τους έχουν εκτιμηθεί από το φως που λαμβάνουμε στο τηλεσκόπιο στους διάφορους ανιχνευτές του. Στη συνέχεια, μια σειρά από μοντέλα που προβλέπουν το φως που παράγει ένας γαλαξίας με βάση μια σειρά παραμέτρων χρησιμοποιούνται για να εκτιμηθεί μια απόσταση. Παρότι η μέθοδος της φωτομετρίας αποτελεί μια πολύ χρήσιμη πρώτη προσέγγιση, η πιο λεπτομερής και ακριβής μέθοδος που διαθέτουμε είναι η φασματοσκοπία. Δηλαδή να πάρουμε ένα λεπτομερές φάσμα ενός σώματος και με βάση τη μετατόπιση των φασματικών γραμμών, που παρατηρούμε με μεγάλη ακρίβεια, να υπολογίσουμε την ερυθρομετατόπιση του σώματος, και κατ’ επέκταση την απόσταση του. Ήδη, για μια σειρά γαλαξίες του JWST, οι αποστάσεις τους έχουν αλλάξει ριζικά μετά τη μελέτη των φασμάτων τους (για παράδειγμα, ο CEERS-93316 από z~16 κατέληξε σε z~4.9, ενώ ο γαλαξίας Maisie από z~14 τοποθετήθηκε τελικά σε z~11. Ακόμα και μικρές αλλαγές στην ερυθρομετατόπιση z, μεταφράζονται σε μεγάλες αλλαγές στο χρόνο δημιουργίας των γαλαξιών αυτών).

3) Τα μοντέλα σχηματισμού γαλαξιών: Για να υπολογίσουμε πόσο γρήγορα μεγαλώνει ένας γαλαξίας χρησιμοποιούμε μια σειρά από θεωρητικά μοντέλα, αλλά και λεπτομερείς προσομοιώσεις σε υπολογιστές. Παρόλα αυτά, ακόμα δε γνωρίζουμε με βεβαιότητα πώς συνεισφέρουν μια σειρά από φυσικές διαδικασίες (ο ρόλος των μαγνητικών πεδίων, η ταχύτητα συσσώρευσης ύλης, ο ρόλος της ακτινοβολίας από τα άστρα ενός γαλαξία, η επιρροή των κοσμικών ακτίνων κτλ.) στον σχηματισμό των γαλαξιών. Για παράδειγμα, οι εκτιμήσεις της μάζας μιας σειράς γαλαξιών του JWST έχουν βασιστεί σε μοντέλα που έχουν καθοριστεί από παρατηρήσεις κοντινών γαλαξιών, ενώ δε γνωρίζουμε αν ο σχηματισμός των πρώτων άστρων ενός μακρινού γαλαξία γίνεται με τον ίδιο τρόπο. Πράγματι, έχει δειχθεί ότι αλλαγές στη θεωρία σχηματισμού των αστέρων οδηγεί σε λιγότερο μαζικούς πρώιμους γαλαξίες.

4) Τα κοσμολογικά μοντέλα: Όπως αναφέραμε αρχικά, η Μεγάλη Έκρηξη είναι παράδειγμα, πάνω στο οποίο έχουν κτιστεί μια σειρά από κοσμολογικά μοντέλα. Το καθιερωμένο μοντέλο είναι αυτό που βασίζεται στη θεωρία βαρύτητας του Einstein, και περιέχει επιπρόσθετα της γνωστής ύλης ένα ποσοστό “σκοτεινής ύλης” και “σκοτεινής ενέργειας”. Παρόλα αυτά, έχουν προταθεί μια σειρά μοντέλων τα οποία, ενώ βασίζονται στο “θεμέλιο” της Μεγάλης Έκρηξης, προτείνουν μετατροπές (περισσότερο ή λιγότερο βάσιμες) όπως αλλαγές στη θεωρία βαρύτητας, προσθήκη άλλων συστατικών στο Σύμπαν κτλ., τα οποία θα μπορούσαν να επηρεάσουν τον ρυθμό σχηματισμού των πρώτων δομών στο Σύμπαν, και άρα το πόσο γρήγορα αναμένουμε τους πρώτους γαλαξίες.

5) Η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου: Μία από τις βασικές παρατηρήσεις που δικαιολογούν ένα Σύμπαν πυκνό και θερμό στο παρελθόν είναι η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (δείτε εδώ), ακτινοβολία που προβλέπεται ότι προέρχεται από πολύ μακρινές αποστάσεις που αντιστοιχούν σε μια ερυθρομετατόπιση z ~ 1000. Αντίθετα, οι γαλαξίες του JWST, βρίσκονται σε αποστάσεις που αντιστοιχούν σε z ~ 10-20. Με άλλα λόγια, έχουμε μια σειρά από άλλες ενδείξεις που υποστηρίζουν το παράδειγμα της Μεγάλης Έκρηξης, για τις οποίες το JWST δεν επιφέρει κάποια αλλαγή. Για την ακρίβεια, το πρόβλημα που θέσαμε στην αρχή διατυπώνεται με περισσότερη ακρίβεια ως: πώς σχηματίζονται τόσο γρήγορα, τόσο μαζικοί γαλαξίες από τις μικρές διακυμάνσεις πυκνότητας που παρατηρούνται στο υπόβαθρο μικροκυμάτων.

Εν κατακλείδι

Υπάρχουν μια σειρά από τεχνικά (1-2) επιχειρήματα που στη χειρότερη περίπτωση συνιστούν υπομονή, την ανάγκη περισσότερων ελέγχων και παρατηρήσεων, ώστε να ελεγχθούν τα πρώτα ευρήματα. Επίσης, υπάρχουν μια σειρά από φυσικά (3-5) επιχειρήματα που εντοπίζουν τους βασικούς “υπαίτιους” σε μια σειρά από λόγους, χωρίς να θέτουν τη Μεγάλη Έκρηξη προς αμφισβήτηση.

Γιατί όμως απαντήσαμε στην αρχή μάλλον όχι, αντί για απλά όχι; Γιατί, σαν κριτικά σκεπτόμενοι επιστήμονες, οφείλουμε να αναγνωρίσουμε ότι στην –  φαινομενικά πολύ μικρή με τα μέχρι στιγμής δεδομένα – πιθανότητα κανένας από τους βασικούς λόγους που αναφέραμε να μην μπορεί να “λύσει” το μυστήριο των πρώτων γαλαξιών, και σε συνδυασμό με μια σειρά ερωτημάτων στη σύγχρονη κοσμολογία, τότε ακόμα και το παράδειγμα της Μεγάλης Έκρηξης μπορεί να χρειαστεί να ξανα-ελεγχθεί εξονυχιστικά!

* Οι περισσότεροι γαλαξίες εκπέμπουν κύρια στα οπτικά μήκη κύματος του φάσματος. Οπότε αν βρισκόμασταν δίπλα σε αυτούς τους μακρινούς γαλαξίες, θα τους βλέπαμε “κανονικά” στο ορατό, όπως και τους γειτονικούς μας. Ωστόσο, εξαιτίας της απόστασης τους, μέχρι να φτάσει ένα οπτικό φωτόνιο από τους μακρινούς αυτούς γαλαξίες στα μάτια μας, λόγω της συμπαντικής διαστολής, έχει μετατοπιστεί το υπέρυθρο. Ανάλογα με την απόσταση, η φασματική αυτή μετατόπιση θα είναι διαφορετική.