宇宙論の亀裂が現れるにはしばらく時間がかかるはずだった。 しかし、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) が昨年の春にレンズを開くと、非常に遠くにあるが非常に明るい銀河が望遠鏡の視野にすぐに映り込みました。 「彼らは馬鹿げたほど明るく、目立っていた」と語った。 ローハン・ナイドゥ、マサチューセッツ工科大学の天文学者。

銀河の地球からの見かけの距離は、宇宙の歴史の中で、誰もが予想したよりもはるかに早く形成されたことを示唆しています。 疑問が渦巻いていたが、330月、天文学者はいくつかの銀河が実際に遠くにあり、したがって原始的であることを確認した。 これらの確認された銀河の中で最も初期のものは、ビッグバンから XNUMX 億 XNUMX 万年後に光を放ち、宇宙で最も初期の知られている構造の新しい記録保持者になりました。 その銀河はかなり薄暗いものでしたが、同じ時期に大まかに関連付けられた他の候補はすでに明るく輝いていました。

ビッグバン直後に過熱したガスの雲の中で星がどのように発火したのでしょうか? 重力で束縛された巨大な構造に急いで織り込むことができたのはなぜでしょうか? このような大きくて明るい初期の銀河を見つけることは、先カンブリア代の地層で化石化したウサギを見つけることに似ているようです。 「早い段階で大きなことはありません。 大きなことを成し遂げるには時間がかかる」と語った。 マイク・ボイラン＝コルチン、テキサス大学オースティン校の理論物理学者。

天文学者たちは、初期の大物の大量発生が現在の宇宙の理解に反するものではないかと問い始めました。 一部の研究者や報道機関は、望遠鏡の観測が宇宙論の標準モデル (ラムダ コールド ダーク マター (ΛCDM) モデルと呼ばれる十分にテストされた方程式のセット) を破っていると主張し、新しい宇宙成分や支配法則をスリリングに指摘しました。 しかしその後、ΛCDM モデルには回復力があることが明らかになりました。 研究者に宇宙論のルールを書き直すように強制する代わりに、JWST の調査結果は、特に宇宙の始まりにおいて銀河がどのように作られているかを天文学者に再考させています。 望遠鏡はまだ宇宙論を破っていませんが、それはあまりにも初期の銀河のケースが画期的なものではないことが判明するという意味ではありません.

よりシンプルな時代

非常に初期の明るい銀河の検出が驚くべき理由を理解するには、宇宙論者が宇宙について何を知っているか、または知っていると考えているかを理解するのに役立ちます。

ビッグバンの後、幼児期の宇宙は冷え込み始めました。 数百万年以内に、宇宙を満たしていた渦巻くプラズマが落ち着き、電子、陽子、中性子が結合して原子になり、ほとんどが中性水素になった. 宇宙の暗黒時代として知られる不確かな期間、物事は静かで暗いものでした。 その後、何かが起こりました。

ビッグバン後に飛散した物質のほとんどは、暗黒物質と呼ばれる目に見えないものでできています。 それは宇宙に強力な影響を及ぼしました。特に最初はそうでした。 標準的な画像では、冷たい暗黒物質 (目に見えない、動きの遅い粒子を意味する用語) が無差別に宇宙に飛び散っていました。 一部の地域では、その分布がより密集しており、これらの地域では崩壊して塊になり始めました. 暗黒物質の塊の周りに集まった目に見える物質、つまり原子。 原子も冷却されると、最終的に凝縮し、最初の星が生まれました。 これらの新しい放射線源は、いわゆる再電離の時代に宇宙を満たした中性水素を再充電しました。 重力によって、より大きく、より複雑な構造が成長し、銀河の広大な宇宙網を構築しました。

その間、すべてがバラバラになり続けました。 天文学者のエドウィン ハッブルは 1920 年代に宇宙が膨張していることを発見し、1990 年代後半に彼の名前の由来となったハッブル宇宙望遠鏡が膨張が加速している証拠を発見しました。 宇宙を一塊のレーズンパンと考えてください。 小麦粉、水、イースト、レーズンの混合物から始まります。 これらの材料を組み合わせると、酵母が呼吸を始め、パンが膨らみ始めます。 その中のレーズン（銀河の代役）は、パンが膨張するにつれて、互いにさらに離れて伸びます.

ハッブル望遠鏡は、パンがますます速く上昇していることを確認しました。 レーズンは、重力に逆らう速度で飛び散ります。 この加速は、空間自体の反発エネルギー、いわゆる暗黒エネルギーによって駆動されているように見えます。これは、ギリシャ文字 Λ (発音は「ラムダ」) で表されます。 アルバート アインシュタインの一般相対性理論の方程式に Λ、冷たい暗黒物質、通常の物質と放射の値を代入すると、宇宙がどのように進化するかのモデルが得られます。 この「ラムダ コールド ダーク マター」(ΛCDM) モデルは、宇宙のほぼすべての観測結果と一致します。

この画像をテストする XNUMX つの方法は、非常に遠い銀河を見ることです。これは、すべての始まりとなった途方もない拍手の後、最初の数億年を振り返ることに相当します。 宇宙は当時より単純で、その進化は予測と比較するのがより簡単でした.

天文学者は、1995 年にハッブル望遠鏡を使用して最初に宇宙の最も初期の構造を見ようとしました。10 日間にわたって、ハッブルは、北斗七星の空のように見える空間のパッチを 342 回撮影しました。 天文学者たちは真っ暗な闇の中に隠れている豊富さに驚いた.ハッブル宇宙望遠鏡は、さまざまな距離と発達段階にある何千もの銀河を見ることができ、誰もが予想したよりもはるかに古い時代にまでさかのぼる. ハッブルは、いくつかの非常に遠い銀河を発見し続けました — 2016 年に、天文学者は 最も遠いものを見つけたGN-z11 と呼ばれる、ビッグバンから 400 億年後に彼らが年代測定したかすかな汚れです。

それは銀河としては驚くほど早かったが、銀河が小さく、天の川の質量のわずか 1% であり、独立していたという理由もあり、ΛCDM モデルに疑問を投げかけることはありませんでした。 天文学者は、GN-z11 が変わったものなのか、不可解な初期銀河のより大きな集団の一部なのかを確認するために、より強力な望遠鏡を必要としていました。

説明できないほど遠い

NASAの元リーダー、ジェームズ・ウェッブにちなんで名付けられたあの次世代宇宙望遠鏡は、 2021 年のクリスマスに発売. JWSTが較正されるとすぐに、初期の銀河からの光がその敏感な電子機器に滴り落ちました。 天文学者は、彼らが見たものを説明する論文の洪水を発表しました。

研究者は、ドップラー効果のバージョンを使用して、オブジェクトの距離を測定します。 これは、サイレンに基づいて救急車の位置を割り出すことに似ています。サイレンの音は、近づくと高くなり、遠ざかると低くなります。 銀河が遠くにあるほど、銀河はより速く私たちから遠ざかるため、その光はより長い波長に伸び、赤く見えます。 この「赤方偏移」の大きさは次のように表されます。 z、ここで与えられた値 z は、物体の光が到達するまでにどれくらいの時間を要したかを示します。

最初の論文の XNUMX つ JWST のデータは、MIT の天文学者である Naidu と彼の同僚から提供されたもので、その検索アルゴリズムは、不可解に明るく、不可解に遠くに見える銀河にフラグを立てました。 Naidu はそれを GLASS-z13 と名付けました。これは、赤方偏移 13 での見かけの距離を示しています。 (銀河の赤方偏移は後に 12.4 に修正され、GLASS-z12 と改名されました。) JWST 観測のさまざまなセットに取り組んでいる他の天文学者は、11 から 20 までの赤方偏移の値を報告していました。 CEERS-1749 と呼ばれる XNUMX つの銀河 または CR2-z17-1 は、ビッグバンからわずか 13.7 億 220 万年後の XNUMX 億年前に光を発したように見えます。

これらの推定上の検出は、ΛCDM として知られるきちんとした話が不完全である可能性があることを示唆していました。 どういうわけか、銀河はすぐに巨大になりました。 「初期の宇宙では、巨大な銀河が見られるとは思っていませんでした。 彼らはそれほど多くの星を形成する時間がなく、合体もしていません」とイギリスのポーツマス大学の天体物理学者、Chris Lovell は言いました。 確かに、 調査 XNUMX 月に発表された研究者らは、ΛCDM モデルによって支配される宇宙のコンピューター シミュレーションを分析し、JWST の初期の明るい銀河は、シミュレーションで同時に形成された銀河よりも一桁重いことを発見しました。

一部の天文学者や報道機関は、JWST が宇宙論を破っていると主張しましたが、誰もがそう確信しているわけではありませんでした。 問題の XNUMX つは、ΛCDM の予測が常に明確であるとは限らないことです。 暗黒物質と暗黒エネルギーは単純ですが、目に見える物質は複雑な相互作用と挙動を持ち、ビッグバン後の最初の数年間に何が起こったのか正確にはわかりません。 これらの熱狂的な初期の時間は、コンピューター シミュレーションで概算する必要があります。 もう XNUMX つの問題は、銀河がどのくらい離れているかを正確に判断するのが難しいことです。

最初の論文が発表されてからの数か月で、高赤方偏移銀河とされるいくつかの銀河の年齢が再考されました。 一部は 降格 望遠鏡のキャリブレーションが更新されたため、宇宙進化の後期段階に。 CEERS-1749 は、12.4 億年前に光を放った銀河団を含む天空の領域で発見されており、ナイドゥ氏は、銀河が実際にはこの銀河団の一部である可能性があると述べています。実際よりも赤方偏移しているように見えます。 Naidu によると、CEERS-1749 はどんなに離れていても奇妙です。 「それは私たちが知らなかった新しいタイプの銀河になるでしょう。非常に質量が小さく、小さな銀河で、どういうわけかその中に大量の塵が蓄積されたものであり、これは私たちが従来予想していなかったことです」と彼は言いました。 「非常に遠い銀河の探索を混乱させているこれらの新しいタイプの天体が存在する可能性があります。」

ライマン・ブレイク

最も確実な距離推定には、JWST の最も強力な機能が必要であることは誰もが知っていました。

JWST は、測光や明るさの測定によって星の光を観察するだけでなく、分光法や光の波長の測定によっても星の光を観察します。 測光観測が群衆の中の顔の写真のようなものである場合、分光観測は、個人の家族歴を伝えることができる DNA テストのようなものです。 初期の大きな銀河を発見した Naidu らは、明るさから導き出された測定値を使用して赤方偏移を測定しました。 その方法は気密にはほど遠い. (アメリカ天文学会の XNUMX 月の会議で、天文学者は測光だけで観測された初期の銀河の半分は正確に測定されるだろうと冗談を言った。)

しかし、XNUMX 月初旬、宇宙学者たちは 発表の 彼らは13.2つの銀河に対して両方の方法を組み合わせた. JWST アドバンスト ディープ エクストラ ギャラクティック サーベイ (JADES) チームは、赤外線スペクトルがライマン ブレークとして知られる臨界波長で突然遮断される銀河を探しました。 この分裂は、銀河の間の空間に浮遊する水素が光を吸収するために起こります。 宇宙が膨張を続けているため、レーズンのパンが常に上昇しているため、遠く離れた銀河の光がシフトし、その突然のブレイクの波長もシフトします。 銀河の光がより長い波長で減衰するように見える場合、それはより遠くにあります。 JADES は、13.4 までの赤方偏移を持つスペクトルを特定しました。これは、銀河の光が XNUMX 億年前に放出されたことを意味します。

データがダウンリンクされるとすぐに、JADES の研究者は、共有された Slack グループで「びっくり」し始めました。 ケビン・ヘインラインアリゾナ大学の天文学者。 「ああ、なんてこった、ああ、ああ、やった、やった、やった！」と彼は言いました。 「これらのスペクトルは、天文学を変える科学になると私が考えるものの始まりにすぎません。」

ブラント・ロバートソンカリフォルニア大学サンタクルーズ校の JADES 天文学者である . 「ハチドリは小さな生き物ですが、心臓の鼓動が非常に速いため、他の生き物とは異なる生活を送っているのと似ています。 これらの銀河の鼓動は、天の川ほどの大きさのものよりもはるかに速いタイムスケールで起こっています。」

しかし、ΛCDMが説明するには心臓の鼓動が速すぎたのでしょうか?

理論上の可能性

天文学者や一般の人々が JWST の画像に口を閉ざす中、研究者たちは舞台裏で作業を開始し、私たちの視界に瞬く銀河が本当に ΛCDM をひっくり返しているのか、それともその方程式に当てはめるべき数値を特定するのに役立つだけなのかを判断し始めました。

XNUMX つの重要でありながらほとんど理解されていない数値は、初期の銀河の質量に関するものです。 宇宙学者は、ΛCDM が予測した銀河の成長のタイムラインと一致するかどうかを判断するために、それらの質量を決定しようとします。

銀河の質量は、その明るさから導き出されます。 だが ミーガン・ドナヒューミシガン州立大学の天体物理学者は、質量と明るさの関係は、よく知られている星やよく研究された銀河から集められた仮定に基づいた、経験に基づいた推測にすぎないと述べています。

重要な仮定の XNUMX つは、星は常に初期質量関数 (IMF) と呼ばれる特定の統計的質量範囲内で形成されるということです。 この IMF パラメーターは、銀河の質量をその明るさの測定値から収集するために重要です。なぜなら、熱く、青く、重い星はより多くの光を生成しますが、銀河の質量の大部分は通常、冷たく、赤く、小さな星に閉じ込められているからです。

しかし、初期の宇宙では IMF が異なっていた可能性があります。 もしそうなら、JWST の初期の銀河は明るさが示唆するほど重くないかもしれません。 それらは明るいかもしれませんが軽いかもしれません。 この可能性は頭痛の種です。なぜなら、この基本的な入力を ΛCDM モデルに変更すると、ほぼすべての答えが得られるからです。 ラヴェルによれば、一部の天文学者は IMF をいじるのは「悪者の領域」だと考えているという。

「初期質量関数を理解していない場合、高赤方偏移の銀河を理解することは本当に困難です。」 ウェンディフリーマン、シカゴ大学の天体物理学者。 彼女のチームは、さまざまな環境で IMF を特定するのに役立つ観測とコンピューター シミュレーションに取り組んでいます。

秋の過程で、多くの専門家は、IMF やその他の要因を微調整するだけで、ΛCDM を使用した JWST の機器に照らされた非常に古い銀河を二乗するのに十分であると疑うようになりました。 「実際には、標準パラダイム内でこれらの観察に対応できる可能性が高いと思います。」 レイチェル・サマービル、フラットアイアン研究所の天体物理学者（ クォンタマガジン、シモンズ財団によって資金提供されています)。 その場合、彼女は次のように述べています。 どのくらいの速さでガスを冷やして密度を高め、星を作ることができるでしょうか? 多分それは初期の宇宙でより速く起こります。 ガスの方が密度が高いのかもしれません。 どういうわけかそれはより速く流れています。 私たちはまだそれらのプロセスについて学んでいると思います。」

Somerville はまた、ブラック ホールが赤ちゃん宇宙に干渉した可能性についても研究しています。 天文学者は 気づきました ビッグバンから約 6 億年後、赤方偏移が 7 または XNUMX のいくつかの輝く超大質量ブラック ホール。 その時までに、どのようにして星が形成され、死に、そして崩壊してブラックホールになり、周囲のすべてを飲み込み、放射線を放出し始めたのかを想像するのは困難です.

しかし、推定上の初期銀河の内部にブラックホールが存在する場合、銀河が実際にはそれほど大きくなくても、銀河が非常に明るく見える理由を説明できる可能性がある、と Somerville 氏は述べた。

ΛCDM が JWST の初期の銀河の少なくともいくつかを収容できるという確認は、クリスマスの前日に到着しました。 が率いる天文学者 ベンジャミンケラー メンフィス大学で チェック済み ラムダは、ΛCDM 宇宙の一握りの主要なスーパーコンピューター シミュレーションを行い、シミュレーションが、JADES チームによって分光学的に研究された 12 つと同じくらい重い銀河を生成できることを発見しました。 (これらの 10 つの銀河は、特に GLASS-z13 などの初期の銀河とされるものよりも小さく、暗いです。) チームの分析では、すべてのシミュレーションで、赤方偏移 24 で JADES の結果と同じサイズの銀河が得られました。 JADES が見たものと同じ XNUMX の赤方偏移で、他の XNUMX つの銀河は、さらに高い赤方偏移で銀河を構築できました。 現在の ΛCDM パラダイムと緊張状態にある JADES 銀河はなかった、と Keller と同僚は XNUMX 月 XNUMX 日にプレプリント サーバー arxiv.org で報告した。

一般的な宇宙論モデルを打ち破るほどの重さはありませんが、JADES 銀河には他の特別な特徴があります。 Hainline 氏によると、彼らの星は以前に爆発した星からの金属によって汚染されていないようだという。 これは、それらが種族 III の星であり、これまでに熱烈に求められていた最初の世代の星であり、宇宙の再イオン化に貢献している可能性があることを意味している可能性があります。 これが本当なら、JWST は、宇宙が現在の進路に設定された神秘的な時代をすでに遡っていることになります。

特別な証拠

 JWSTの時間割り当て委員会がどのように物事を分割するかに応じて、追加の初期銀河の分光学的確認がこの春に行われる可能性があります. WDEEP と呼ばれる観測キャンペーンでは、特にビッグバンから 300 億年以内の銀河を探します。 研究者がより多くの銀河の距離を確認し、それらの質量をより正確に見積もることができれば、ΛCDM の運命を解決するのに役立つでしょう。

ΛCDM の状況を変える可能性のある他の多くの観測がすでに進行中です。 初期質量関数を研究しているフリードマンは、ある夜の午前 1 時に起床し、変光星の JWST データをダウンロードしました。これは、距離と年齢を測定するための「標準ろうそく」として使用しています。 これらの測定値は、ハッブル張力として知られる ΛCDM の別の潜在的な問題を解決するのに役立つ可能性があります。 問題は、宇宙が現在、13.8億年前の宇宙についてΛCDMが予測するよりも速く膨張しているように見えることです. 宇宙学者は考えられる説明をたくさん持っています。 おそらく、一部の宇宙学者は、宇宙の膨張を加速している暗黒エネルギーの密度は、ΛCDM のように一定ではなく、時間とともに変化すると推測しています。 宇宙の膨張履歴を変更すると、ハッブル張力が解決されるだけでなく、特定の赤方偏移での宇宙の年齢の計算も修正される可能性があります。 JWST は、ビッグバンから 500 億年後ではなく 300 億年後に出現した初期の銀河を見ている可能性があります。 そうなると、JWST の鏡に写っている最も重いと推定される初期の銀河でさえ、合体するのに十分な時間があっただろう、と Somerville は言う。

天文学者は、JWST の初期の銀河の結果について話すとき、最上級を使い果たします。 彼らは会話に笑い声、罵倒、感嘆符を散りばめ、どんなに乱用されても、途方もない主張には途方もない証拠が必要だというカール・セーガンの格言を思い出します。 彼らは、より多くの画像やスペクトルを手に入れるのが待ちきれません。これは、モデルを磨いたり微調整したりするのに役立ちます。 「これらは最高の問題です」とボイランコルチンは言いました。