Odkąd w 2022 r. zaczął wysyłać dane na Ziemię, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) wywarł ogromny wpływ na astronomię, a jednym z jego najbardziej rewolucyjnych osiągnięć jest obserwacja niektórych z najodleglejszych galaktyk, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Ponieważ jednak światło nie przemieszcza się natychmiastowo – raczej porusza się w próżni z prędkością około 300 milionów metrów (985 milionów stóp) na sekundę – widzimy te galaktyki nie takimi, jakie są dzisiaj, ale takimi, jakie były miliardy lat temu.
Co więcej, wiek Wszechświata szacuje się na około 13,8 miliarda lat. Powinniśmy zatem założyć, że najdalsza galaktyka, jaką możemy mieć nadzieję zobaczyć, znajduje się w odległości nie większej niż 13,8 miliarda lat świetlnych. (Rok świetlny to odległość, jaką światło pokonuje w ciągu jednego roku.) Punkt ten powinien być swego rodzaju „kosmicznym horyzontem” – poza który żaden teleskop nie powinien widzieć. Ponieważ nic nie może przemieszczać się w przestrzeni szybciej niż prędkość światła, oznacza to, że w odległości większej niż 13,8 miliarda lat świetlnych nie powinno być żadnej galaktyki, a oddalanie się od nas z biegiem czasu może mieć wpływ na Ziemię. Czyż nie?
błąd. Gdyby tylko wszechświat był taki prosty.
„Horyzont kosmiczny to maksymalna odległość, z której można uzyskać informacje” – mówi Space.com Jake Hilton, astronom z Uniwersytetu w Arizonie, będący częścią zespołu JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).
„Istnieje kilka różnych horyzontów kosmicznych” – kontynuował Hilton – „które mają różne definicje i zależą od różnych wielkości kosmicznych. Najważniejszy jest tutaj horyzont kosmiczny, który reprezentuje maksymalną odległość, jaką światło może do nas przebyć w ciągu życia wszechświat. To definiuje
„Granica widzialnego wszechświata”.
Powiązany: Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba obserwuje najdalszą galaktykę, jaką kiedykolwiek zaobserwowano (zdjęcie)
W marcu 2024 r. naukowcy z JADES ujawnili, że potężny teleskop odkrył JADES-GS-z14-0, najodleglejszą i najstarszą galaktykę, jaką kiedykolwiek widział człowiek. Ironią jest jednak to, że JADES-GS-z14-0 znajduje się w odległości około 33,8 miliarda lat świetlnych.
Jak możemy zobaczyć światło pochodzące z obiektu tak odległego, że wiek wszechświata nie pozwala mu do nas dotrzeć? Czy położenie JADES-GS-z14-0 w odległości 33,8 miliardów lat świetlnych od nas nie oznacza, że widzimy ją taką, jaką była 33,8 miliarda lat temu, co z pewnością podważyłoby oszacowanie wieku Wszechświata?
Bynajmniej. Po raz kolejny jest to dowód na to, że wszechświat potrafi wywrócić do góry nogami rozsądne i logiczne wnioski.
„Jak możemy obserwować odległą galaktykę taką jak JADES-GS-z14-0, która znajduje się w odległości ponad 13,8 miliarda lat świetlnych od nas i której światło wydaje się docierać do nas dłużej niż wynosi wiek wszechświata?” – zapytał retorycznie Hilton. „Odpowiedzią jest ekspansja wszechświata”.
Zobacz galaktykę większą niż sam czas
Gdyby Wszechświat był statyczny, światło z galaktyki oddalonej o 33,8 miliarda lat świetlnych docierałoby do nas po 33,8 miliardach lat i to wszystko. Jednak na początku XX wieku Edwin Hubble odkrył, że odległe galaktyki zdawały się oddalać od siebie, a im większa była między nimi odległość, tym szybciej się poruszały. Innymi słowy, wszechświat nie jest statyczny; To się rozwija.
Sprawa stała się bardziej skomplikowana w 1998 r., gdy XX wiek dobiegał końca, kiedy dwa odrębne zespoły astronomów zaobserwowały, że Wszechświat nie tylko się rozszerza, ale także przyspiesza. W rzeczywistości siła odpowiedzialna za to pozostaje tajemnicą, ale nazwano ją „ciemną energią”.
Istnieją dwa główne i odrębne okresy ekspansji w historii wszechświata trwającej 13,8 miliardów lat. Pierwszy to początkowy okres szybkiej kosmicznej inflacji, obecnie powszechnie nazywany „Wielkim Wybuchem”.
W tej epoce inflacyjnej rozmiar Wszechświata wzrósł 10^26 (10 i 25 zer). Odpowiada to wzrostowi paznokcia z 1 nanometra na sekundę do nagle 10,6 lat świetlnych (62 nanometrów). Bilion Wszechświat ma długość 1,2 miliona mil. W tym czasie wszechświat był zdominowany przez energię i okres ten znany jest jako Wiek Dominacji Energii.
Potem nastąpiła era zdominowana przez materię, która rozpoczęła się 47 000 lat po Wielkim Wybuchu. Ostatecznie ekspansja kosmiczna pozwoliła Wszechświatowi ostygnąć na tyle, aby z kwarków i gluonów mogły uformować się protony, które następnie związały się z elektronami, tworząc pierwsze atomy wodoru, które utworzyły pierwsze gwiazdy i galaktyki. W tym okresie ekspansja wszechświata spowodowana Wielkim Wybuchem uległa niemal całkowitemu spowolnieniu.
Era dominacji materii dobiegła końca, gdy Wszechświat miał niecałe 10 miliardów lat. W tym czasie wszechświat nagle zaczął ponownie szybko się rozszerzać. Ponadto ekspansja ta staje się coraz szybsza, a nawet nadal przyspiesza. Ten trzeci ważny okres we wszechświecie nazywany jest erą dominacji ciemnej energii. To jest era, w której obecnie żyjemy.
Dzięki tym okresom ekspansji wszechświata światło z JADES-GS-z14-0 docierało do JWTS i Ziemi zaledwie przez 13,5 miliarda lat, mimo że jego źródło znajduje się obecnie znacznie dalej niż 13,5 miliarda lat świetlnych. Oznacza to, że Teleskop Jamesa Webba widzi JADES-GS-z14-0 takim, jakim był 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Bez ekspansji Wszechświata JADES-GS-z14-0 nadal znajdowałby się w odległości około 13,5 miliarda lat świetlnych, chociaż nadal podlegałby mniejszym ruchom lokalnym, które przybliżyłyby go lub oddaliły od pobliskich galaktyk. Jednak taki ruch galaktyczny nie przypominał ruchu powodowanego przez ekspansję wszechświata.
Według Hiltona kosmiczny horyzont, czyli „horyzont fotonowy”, to kula, której granica znajduje się w odległości około 46,1 miliarda lat świetlnych, a liczba ta zależy od ekspansji Wszechświata. To jest faktyczny horyzont, za którym nie powinniśmy „widzieć” galaktyki. Galaktyka JADES-GS-z14-0 leży już w tym horyzoncie.
Aby uniknąć zamieszania, astronomowie tak naprawdę używają dwóch skal do pomiaru odległości: odległości współruchu, która wyklucza jako czynnik ekspansję Wszechświata, oraz odległości właściwej, która ją uwzględnia. Oznacza to, że odległość współruchu JADES-GS-z14-0 wynosi 13,5 miliarda lat świetlnych, podczas gdy właściwa odległość wynosi 33,8 miliarda lat świetlnych.
Jednak odległe i starożytne JADES-GS-z14-0 oraz inne galaktyki nie zawsze będą widoczne.
Szczęśliwy posiadacz Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba
Fakt, że Teleskop Jamesa Webba widzi galaktykę Gadis-GS-Z14-0 oznacza, że była ona kiedyś „połączona przyczynowo” z Ziemią i wszechświatem lokalnym. Innymi słowy, sygnał z galaktyki Gaddis-GS-Z14-0 mógł dotrzeć do nas w Drodze Mlecznej, a zatem „przyczyna” w tej galaktyce, która istniała u zarania dziejów, może mieć „skutek” w naszej galaktyce W tej nowoczesnej epoce wszechświata.
„Każda obserwowalna galaktyka musi znajdować się w horyzoncie cząstek i musi być z nami połączona przyczynowo w pewnym momencie historii wszechświata” – powiedział Hilton.
Ale teraz tak już nie jest. Galaktyki takie jak JADES-GS-z14-0 i inne odkryte przez JADES są obecnie tak odległe i oddalają się od nas tak szybko dzięki ciemnej energii, że żaden sygnał z nich nie może dziś do nas dotrzeć. Dzieje się tak dlatego, że horyzont fotonowy oddala się od nas z prędkością światła, natomiast w przypadku JADES horyzont fotonowy oddala się od nas z prędkością światła. naprawdę Odległe obiekty, przestrzeń pomiędzy Drogą Mleczną a tymi galaktykami się rozszerza szybciej Od prędkości światła.
Może się to wydawać nieprawdopodobne, ponieważ szczególna teoria względności Alberta Einsteina ustanawia prędkość światła jako uniwersalną granicę prędkości. Jest to jednak reguła dotycząca obiektów o poruszającej się masie. podczas Przestrzeń, a nie podstawa tkanki samej przestrzeni.
Około dwa biliony lat po zniknięciu Ziemi i ludzkości ekspansja wszechświata oznacza, że jakikolwiek inteligentny gatunek, który zastąpi nas w Drodze Mlecznej (jeśli w ogóle tak się stanie), nie będzie w stanie dostrzec żadnych galaktyk istniejących poza naszą grupą lokalną – co ma średnicę około 10 metrów i milionów lat świetlnych.
To szokujący pomysł i oznacza, że ludzkość żyje w wyjątkowym momencie historii wszechświata, w którym najbardziej odległe galaktyki są wciąż w zasięgu naszego wzroku. Jesteśmy w stanie dowiedzieć się więcej o wszechświecie i jego pochodzeniu niż jakiekolwiek inteligentne życie, które mogłoby za nami podążać. Astronomowie, w tym Hilton, planują wykorzystać Teleskop Jamesa Webba, aby w pełni wykorzystać ten kosmiczny przywilej.
„Współpraca z JWST i JADES Collaboration była świetna” – powiedział Hilton. „Pisanie artykułów naukowych na temat nauki w JWST, takich jak moja niedawna praca na temat
JADES-GS-z14-0 był najbardziej ekscytującym i satysfakcjonującym doświadczeniem
„Z mojej kariery naukowej”.
