A „kis vörös pontokat” (Little Red Dots) eddig olyan objektumoknak hittük, amelyek létezését jelenlegi kozmológiai modelljeinkkel nem tudjuk megmagyarázni, most azonban összeállt a kép, és kiderült, hogy mégis van rájuk magyarázat.
A James Webb-űrtávcső 2022-es felbocsátása óta megrengette a világról alkotott képünket, és minden eddiginél részletesebb felvételeket készített közeli, születőben lévő bolygórendszerekről, fiatal csillagokról, exobolygókról, távoli galaxisokról, és sok egyéb érdekességről. Az egyik legizgalmasabb eredmény a „kis vörös pontok” néven emlegetett, rendkívül távoli, vörös színű, pontszerűnek látszó, sok tagot számláló galaxispopulációhoz kötődik, amely igen nagy távolsága ellenére fényesen látszik a James Webb felvételein.
Ezek a „kis vörös pontok” a puszta létezésükkel is megkérdőjelezni látszottak a modern kozmológiai nézeteket. Napjainkra kialakult egy széles körben elfogadott modell, amely szerint 13,8 milliárd éves világunkat sötét energia, sötét anyag, barionikus anyag, illetve sugárzás egy adott arányú keveréke alkotja. A távoli galaxispopuláció vizsgálata azonban megmutatta, hogy a korai Univerzumban minden eddigi szimuláció jóslatánál több van ezekből a kis vörös pontokból.
Van egy régi közmondás a csillagászok és fizikusok körében: az elméleti szakemberek igyekeznek modellekkel leírni a világunkat, mígnem a kísérletek ezeket az elméleteket cáfolják, és megmutatják a valóságot. Két évnyi intenzív kutatás után talán kijelenthetjük, hogy a kis vörös pontokkal kapcsolatos kirakó darabkái végre a helyükre kerültek, és ezáltal okosabbak lettünk az Univerzum fiatalkorát illetően.
Talán azt elmondhatjuk, hogy elméleti szinten viszonylag jól ismerjük az Univerzumot, és az erre irányuló elméletek jó részét mára kísérleti bizonyítékokkal is sikerült alátámasztani. A modellek szerint például az ősrobbanás utáni forró Univerzum nem volt teljesen homogén, kisebb sűrűsödéscsomók jöttek létre benne, amelyek később elősegítették a ma ismert csillagok és galaxisok létrejöttét. Ezeknek az apró fluktuációknak a jeleit mérésekkel is sikerült kimutatni. Szintén ismert, hogy kezdetben nem léteztek csillagok és galaxisok, hanem csak később, legalább 10 millió év alatt sikerült kialakulniuk. Következésképpen a fiatal Univerzumban a galaxisok
- kisebbek
- kisebb tömegűek
- kevésbé strukturáltak
- nehezebb elemekben szegényebbek
- kék, fiatal csillagokban gazdagabbak
voltak, mint a ma ismert galaxisok. Eddigi műszereink, például a Hubble-űrtávcső segítségével kialakult egyfajta képünk arról, hogy hogyan nézett ki a világunk a galaxisok születése előtt, illetve azután. A James Webb-űrtávcső azonban felülmúlja minden eddigi eszközünket, így a kutatói közösség áttörő eredményeket vár tőle.
Az űrtávcső pedig már most beteljesítette reményeinket számos váratlan felfedezésével. Több kozmikus rekordot megdöntött, például sikerült képet alkotnia az eddig látott legtávolabbi galaxishalmazról, és a legtávolabbi, gravitációsan lencsézett objektumról. Emellett természetesen más területeken is elért úttörő eredményeket: megmutatta, hogy sokkal több galaxis van a korai Univerzumban, mint azt korábban gondoltuk, illetve azt is, hogy már a korai Univerzumban is jelen voltak a szupernagy tömegű fekete lyukak a galaxisok közepében, noha elméletileg a fekete lyukak csillagok halálához köthetőek, összeolvadásuk, és szupernagy tömegűvé válásuk pedig jóval több időt venne igénybe, mint amit a megfigyelések mutatnak. Egy ilyen váratlan felfedezés a kis vörös pontok detektálása is, amely megmutatta azt, hogy a korai (tehát távoli) Univerzumban sokkal több galaxis volt, mint azt bármely eddigi szimulációnk jósolta volna.
Ekkor tehát felvetődik a kérdés: hogy lehetséges, hogy olyan sok fényes galaxis volt a fiatal Univerzumban? A James Webb-űrtávcső felbocsátása óta talán ez volt az egyik legnagyobb rejtély az asztrofizikusok számára. Ilyenkor egyszerű nagy horderejű, merész kijelentéseket tenni, miszerint megdőltek eddigi kozmológiai nézeteink, ám a látott galaxisok kialakulására ennél nehezebb magyarázatot találni. A Hubble-űrtávcső volt az az eszköz, amely segített bennünket a jelenlegi Univerzum megismerésében, a James Webb-űrtávcső pedig a Világegyetem keletkezésébe, és fiatal korába ad mélyebb betekintést. Talán nem azt látjuk tükrein keresztül, amit elvártunk, de annak felismerése, hogy mindeddig tévedtünk, hatalmas tudományos előrelépésre sarkallhat bennünket.
Először talán érdemes közelebbről is megnéznünk magát az űrtávcsövet, és megértenünk működését. Ez azonban nem csak a felbontás, a fénygyűjtő képesség, a hullámhossz szerinti érzékenység, de az optikai rendszer egészének megértésében rejlik. Ebbe pedig beletartoznak a hibák is, hiszen nincs távcső, amely optikailag tökéletes lenne. A legfontosabb hiányosságok egy távcső esetén a következőek lehetnek:
- a fény visszaverődése a távcső felületéről
- szennyeződés az eszközön
- a tükör alakjának apró tökéletlenségei
- a tükrök, vagy egyéb eszközök beállításának apró pontatlanságai
- a műszerek jellemzői, illetve a sötétzaj.
A James Webb-űrtávcsövet ezekre a hibalehetőségekre odafigyelve hozták létre, és amikor a gyakorlatban is kipróbálták, kiviláglott az, hogy a távcső felülmúlja a hozzá fűzött elvárásokat! A világot rajta keresztül sokkal
- élesebben
- kisebb zajszinttel
- optikailag nagyobb hatásfokkal
látjuk még legoptimistább becsléseinknél is. Talán túlzás nélkül kijelenthetjük, hogy a James Webb-űrtávcső az emberi történelem legjobb távcsöve. Ez pedig azt jelenti, hogy élesebb képeket készít a leghalványabb objektumokról is, mint azt gondoltuk volna, az elvártnál kevesebb expozíciós idő alatt. A vizsgált objektumok fényessége fontos információt szolgáltat az adott objektum valódi fényessége mellett a távcső tulajdonságairól is. A kis vörös pontok fényességének és mennyiségének magyarázata azonban még ezek ismeretében is fejtörést okozott a fizikusoknak.
Szintén egy fontos lépését jelentette a kutatásnak eddig szimulációink ellenőrzése is, ugyanis még a legkifinomultabb, nagy skálás szimulációk is csak nehézségek árán tudták reprodukálni a James Webb-űrtávcső méréseit. Egy 2023-as tanulmány azonban megtörte a jeget, és kisebb skálákon, jóval részletesebb tömegbeli és térbeli felbontással sikerült leírnia a korai Univerzumot. A vizsgálat során megmutatkozott, hogy a korai Univerzumban elszórtan jelenlévő sűrűsödéscsomók nagy szerepet játszottak a legkorábbi nagy tömegű galaxisok kialakulásában. Ezek a sűrűbb régiók a korábbi, kisebb felbontású szimulációkban elmosódtak, ám az újabb, részletesebb modellekben egyértelműen látszottak, sőt, megmutatták, hogy belőlük alakulhattak ki a fiatal, 250-500 millió éves Univerzum nagy tömegű, fényes galaxisai. Ez az új eredmény némileg enyhítette a kis vörös pontok észlelése körüli ellentmondásokat, ám teljesen megszüntetni nem tudta azokat.
Az egyik, továbbra is fennálló rejtély a James Webb-űrtávcső által vizsgált galaxisoknak az ultraibolya tartományban kibocsátott sugárzásában rejlik. Eddigi tudásunk szerint a csillagkeletkezés során különböző tömegű és színű csillagok keletkeznek: rövid életű, nagy tömegű, fényes, kék csillagok, illetve kisebb tömegű, vörösebb, rövidebb ideig élő csillagok. A feltételezések szerint a csillagkeletkezés a fiatal galaxisokban folyamatos, és amint a kék csillagok egyre idősebbek lesznek, majd végül meghalnak, a helyükre újonnan keletkező csillagok kerülnek. A vizsgált galaxisok azonban valamelyest ellentmondanak ezeknek az ismereteknek, ugyanis jóval több sugárzást bocsátanak ki az ultraibolya tartományban, mint amennyit az asztrofizikusok ezek alapján jósolnak.
A rejtély végső megoldását 2023 végén leltük meg: eszerint a galaxisokban a csillagkeletkezés nem mindig ugyanazzal a sebességgel zajlik, hanem a galaxisok életében vannak olyan fejezetek, amikor a csillagkeletkezés robbanásszerűen beindul, míg máskor lassabbá válik. A robbanásszerű csillagkeletkezés a galaxisnak egy viszonylag kis méretű régiójában történik meg, a hirtelen megugró mennyiségű ionizált hidrogénnek köszönhetően. Ekkor tehát szinte egyszerre keletkezik sok, kék színű, nagy tömegű csillag, amelyekről tudjuk, hogy ultraibolya tartományban sugároznak.
A korai Univerzum kis méretű galaxisaiban előfordulhatott, hogy a robbanásszerű csillagkeletkezési hullám elragadta az egész galaxist, és ezzel időlegesen, de jelentősen megnövelte a galaxis fényességét. Ennek ismerete segíthet megmagyarázni azt, hogy miért látott a James Webb-űrtávcső olyan sok fényes galaxist a korai Univerzumban.
Mindezzel azonban még nincs vége: a CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) kutatócsoportja egy új tanulmányban kimutatta, hogy a fényes galaxisok létrejöttéhez még egy folyamat hozzájárulhatott, mégpedig a galaxisok középpontjában lévő fekete lyuk sugárzásának formájában. A kutatás egyik legelképesztőbb eredménye megmutatja, hogy a galaxisok közepén lévő, 10000-100 000 naptömegű fekete lyukak nem a galaxis első csillagainak halála után alakultak ki, hanem létrejöhettek a csillagokkal egy időben is, a galaxisban lévő hidrogénfelhők ütközése során.
Napjainkban a legnagyobb tömegű fekete lyukak több tízmilliárd naptömegűek, amellyel egy galaxis tömegének 0,1%-át teszik ki. Ezzel ellentétben a korai, kisebb tömegű galaxisokban ez az arány 1, 10, vagy akár 100% is lehetett! Az ilyen fekete lyukak, amikor éppen aktívak, vagyis éppen táplálkoznak a körülöttük lévő gázanyagból, igen fényes sugárzást bocsátanak ki az elektromágneses spektrum minden hullámhosszán. Amikor tehát látunk egy „kis vörös pontot” a James Webb-űrtávcsővel, az összes hullámhossztartományon kibocsátott fény keverékét figyelhetjük meg: a galaxisban lévő csillagok, illetve a közepén lévő aktív galaxismag sugárzását. Mivel mindez csak egy kis pont formájában jelenik meg az űrtávcső felvételein, nehéz elkülöníteni, hogy a fény pontosan melyik komponensekből, milyen arányban érkezik. Azt azonban fontos megemlíteni, hogy ha a fekete lyukak táplálkozásából származó sugárzást is számításba vesszük, a megfigyelt kis vörös pontok tulajdonságai teljes összhangban vannak a kozmológia jelenleg elfogadott standard modelljével. Bár még mindig vannak megválaszolatlan kérdések a témakörrel kapcsolatban, ezen eredményekkel közelebb kerültünk a kis vörös pontok rejtélyének megfejtéséhez.
A cikk forrása: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/jwst-galaxies-didnt-break-cosmology/