Τι είδαν τα μεγάλα μάτια του James Webb;

Τώρα που κόπασε ο κουρνιαχτός μέχρι νεωτέρας ας κάνουμε μία ψύχραιμη αποτίμηση του τί είδε τελικά το James Webb και προβλημάτισε τους αστροφυσικούς και κοσμολόγους. Αρχικά να τονίσω ότι οριστικά συμπεράσματα θα προκύψουν σε τουλάχιστον 1 χρόνο όταν θα έχει οριστικοποιηθεί ότι πρόκειται για γαλαξίες περίπου 500 – 700 εκατομμύρια χρόνια μετά την big bang και εφόσον έχει ολοκληρωθεί η φασματοσκοπική ανάλυση που θα μας δείξει τη φωτεινότητα των γαλαξιών σε κάθε μήκος κύματος από το ερυθρό μέχρι το μέσο υπέρυθρο. Για σιγουριά η φασματοσμική ανάλυση θα μας δείξει αν όντως το αντικείμενο που βλέπουμε αναφέρεται στο πρώιμο σύμπαν και τα άστρα του περιέχουν μόνο υδρογόνο και ήλιο(άστρα πλυθησμού III) καθώς τα άστρα που περιέχουν Ν, Ο, C και βαρέα μέταλλα είναι άστρα δεύτερης και τρίτης γενιάς(πληθυσμού ΙΙ και Ι). Άστρα πληθυσμού ΙΙΙ δεν έχουν βρεθεί ακόμα και ενδεχομένως να βρεθούν σε κάποιον από τους 6 υποψήφιους γαλαξίες.

Μέχρι να απαντηθούν τα παραπάνω ερωτήματα όλα είναι ανοιχτά, όμως η πρώτη ματιά μοίρασε εγκεφαλικά στους κοσμολόγους καθώς έθεσε σε δοκιμασία και το ιερό δισκοπότηρο των κοσμολόγων, την big bang. Πριν όμως προβούμε σε ανάλυση των εικόνων ας δούμε το αλφαβητάρι της κοσμολογίας.

Όλο το οικοδόμημα της κοσμολογίας έχει συγκεντρωθεί σε μία θεωρία, την Λ – CDM το Ελληνικό Λ αντιπροσωπεύει την κοσμολογική σταθερά του Einstein σε νέο ρόλο σκοτεινής ενέργειας που επιταχύνει την διαστολή του σύμπαντος. Ο Einstein είχε εισάγει την Λ στις εξισώσεις πεδίου της ΓΘΣ προκειμένου να ισορροπίσει την βαρύτητα ενός στατικού σύμπαντος όπως νόμιζε. Όταν όμως οι Lemaitre και Hubble θεμελίωσαν τη διαστολή του σύμπαντος ο Einstein απέσειρε την Λ από τις εξισώσεις του παραδεχόμενος ότι πρόκειται για το μεγαλύτερο λάθος του. To CDM μεταφράζεται “ψυχρή σκοτεινή ύλη”. Σύμφωνα με την Λ – CDM το σύμπαν προέκυψε από μία χωροχρονική ανωμαλία άπειρης πυκνότητας και θερμοκρασίας. Τη χρονική στιγμή μηδέν δημιουργήθηκε ο χώρος και ο χρόνος(big bang που δεν είναι όμως bang) καθώς και ίση ποσότητα ύλης και αντιύλης ώστε η συνολική υλοενέργεια να είναι μηδέν όπως πριν την big bang(τελικά για άγνωστο ακόμα λόγο επικράτησε κατά κράτος η ύλη). Στη συνέχεια και μέσα σε 10^-43 s το σύμπαν υπέστη μία τεραστίων διαστάσεων εκθετική διαστολή(κοσμικός πληθωρισμός που μόνο θεωρητικά είναι θεμελιωμένος) και έκτοτε διαστελόταν μέχρι τα 7 δις χρόνια με επιβραδυνόμενο ρυθμό(λογικό), μετά όμως τα 7 δις χρόνια το σύμπαν για άγνωστο πάλι λόγο άρχισε να διαστέλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό(πιθανόν κάποια σκοτεινή ενέργεια).

Μέχρι το πρώτο λεπτό τα ουδέτερα Quark έδωσαν το κυράρχο στοιχείο του σύμπαντος το υδρογόνο με τη μορφή ιόντων Η⁺ ή ΗΙΙ. Μέχρι τα 20 min είχαν συντεθεί με θερμοπυρηνική σύντηξη πυρήνες ηλίου και ελάχιστοι λιθίου(αρχέγονη πυρηνοσύνθεση). Η σύντηξη των πρωτονίων προχωρούσε αργά γιατί στο ενδιάμεσο στάδιο η σύντηξη πρωτονίων σε δευτέριο έγινε με την ασθενή αλληλεπίδραση. Έτσι η μεγάλη πλειοψηφία των πρωτονίων δεν υπέστη σύντηξη και ένεκα τούτου το υδρογόνο είναι κυρίαρχο στοιχείο στο σύμπαν. Μέχρι τα 380 χιλάδες χρόνια το σύμπαν ήταν αδιαφανές με τα φωτόνια να είναι δέσμια του πλάσματος. Στα 380.000 χρόνια η θερμοκρασία του σύμπαντος έπεσε στους 3000 Κ και τα ηλεκτρόνια μπόρεσαν να ενωθούν με τα πρωτόνια και να δώσουν ουδέτερο υδρογόνο ΗΙ. Παράλληλα  όμως τα φωτόνια βρήκαν διέξοδο και γέμισαν το τότε σύμπαν των 42 εκ. ετών φωτός(αρχέγονο φως). Την ακτινοβολία αυτή εμείς σήμερα την λαμβάνουμε με τεράστια ερυθρή μετατόπιση απο υπεριώδης που ήταν κυρίως, στη μπάντα των μικροκυμάτων και σε θερμοκρασία 2,7 Κ που είναι και η σημερινή θερμοκρασία του σύμπαντος(μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου).

Στα 380.000 χρόνια λοιπόν και εδώ είναι το ζουμί, έλαβε χώρα η λεγόμενη επανασύνδεση και το σύμπαν πλημμυρίζει απο ουδέτερο υδρογόνο. Το ουδέτερο υδρογόνο δεν ακτινοβολεί παρά μόνο στη πολύ ασθενή φασματική γραμμή των 21 cm και έτσι ακολουθούν οι λεγόμενοι σκοτεινοί αιώνες του σύμπαντος. Κάποια στιγμή σχηματίστηκαν τα πρώτα άστρα που περιείχαν συντριπτικά υδρογόνο και ήλιο, πρέπει να ήταν τεράστια(από 10 μέχρι πάνω από 100 ηλιακές μάζες), θερμά και ζούσαν πολύ λίγο(κάτω από 10 εκ. χρόνια).  Λόγω της μεγάλης ποσότητας υδρογόνου τα άστρα σχηματίζονται με μεγάλους ρυθμούς και συγκεντρώνονται σε γαλαξίες. Η μεσογαλαξιακή ύλη όμως (IGM) αποτελούνταν μόνο από ουδέτερο υδρογόνο που απορροφούσε την ακτινοβολία των γαλαξιών και το σύμπαν ήταν στο μαύρο σκοτάδι. Σιγά-σιγά όμως ακτινοβολία υψηλής ενέργειας των άστρων(υπεριώδης) διέφευγε από τους γαλαξίες(σε μικρό ποσοστό) και άρχισε να ιονίζει το υδρογόνο στο περιβάλοντα χώρο. Η διαδικασία αυτή ιονισμού του μεσογαλαξιακού υδρογόνου είναι γνωστή ως επαναϊονισμός και ολοκληρώθηκε περίπου 1 δις χρόνια μετά την big bang. Διαρκούντος του επαναϊονισμού το σύμπαν άρχισε να γίνεται διαφανές και στα 1 δις χρόνια πήρε τη σημερινή μορφή. Σταματάω εδώ γιατί μας ενδιαφέρει το μέχρις εδώ.

Πριν να αναφέρω ένα μέγεθος που θα μας χρειαστεί, την κοσμολογική ερυθρή μετατόπιση z = Δλ/λ₀ . Η κοσμολογική ερυθρή μετατόπιση σε αντίθεση με την μετατόπιση Doppler είναι μόνο ερυθρή, οφείλεται στη διαστολή του σύμπαντος και όχι στην ακτινική ταχύτητα του αντικειμένου και εξαρτάται από τον χρόνο. Το σύμπαν δεν είναι σφαιρικό , δεν έχει κέντρο και συγκεκριμένη ακτίνα,  έχει επίπεδη γεωμετρία(Ευκλείδιο) και καθώς διαστέλεται οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους. Στην εικόνα κάτω βλέπουμε μία εικόνα του σύμπαντος που δεν είναι μεν η πραγματική αλλά τονίζει την επιπεδότητα του σύμπαντος.

Φανταστείτε κάθε τετράγωνο ελαστικό που έχουμε τυπώσει κουκίδες(γαλαξίες). Αν τεντώνουμε το ελαστικό προς όλες τις διευθύνσεις οι κουκίδες(γαλαξίες) απομακρύνονται μεταξύ τους. Ας δούμε τώρα τι γίνεται με τα φωτόνια.

Φανταστείτε μία ελαστική ταινία(εικ.πάνω) που έχουμε σχεδιάσει ένα κύμα μ.κ λ_0. Αν αρχίσουμε και τεντώνουμε την ταινία το μήκος κύματος θα μεγαλώνει συνεχώς. Έτσι καθώς το αρχικό φωτόνιο μήκους κύματος λ₀ ταξιδεύει σε ένα συνεχώς διαστελόμενο σύμπαν μετατοπίζεται σε όλο και μεγαλύτερα μήκη κύματος, επίσης όσο πιο πίσω στο χρόνο είναι ένα αντικείμενο σε τόσο μεγαλύτερο μήκος κύματος λαμβάνουμε την ακτινοβολία που εξέπεμψε(κοσμολογική ερυθρή μετατόπιση). Για παράδειγμα η αρχαιότερη ακτινοβολία που εξέπεμψε το σύμπαν στα 380.000 χρόνια έρχεται σε εμάς σήμερα με ερυθρή μετατόπιση z = 1000(από υπεριώδης στα μικροκύματα). Οι κοσμολόγοι επομένως μετρώντας την z βρίσκουν πόσο πίσω στο χρόνο είναι το αντικείμενο που την εξέπεμψε και σε πόση απόσταση από εμάς βρίσκεται σήμερα. Όμως αφού το σύμπαν διαστέλεται γιατί ο γαλαξίας της Ανδρομέδας μας πλησιάζει; Γιατί οι κοντινοί μας γαλαξίες προφανώς έχουν αμελητέα κοσμολογική ερυθρή μετατόπιση και υπερισχύει η ιδία κίνησή τους με z που υπολογίζεται από το φαινόμενο Doppler. 

Τον Απρίλιο του 2022 εντοπίστηκε ο γαλαξίας HD1 με την μεγαλύτερη ερυθρή μετατόπιση z = 13,27 που σημαίνει ότι το φως του ξεκίνησε το ταξίδι του μόλις 324 χρόνια μετά την big bang. Σήμερα ο γαλαξίας βρίσκεται σε απόσταση 33,288 δις ε.φ από εμάς. 

Στην αρχική εικόνα ο γαλαξίας είναι στο μικρό τετράγωνο και μεγενθυμένος στο μεγάλο τετράγωνο. Τα μήκη κύματος που λαμβάνουμε σήμερα από τον γαλαξία είναι κάτι λίγα από το ερυθρό και κυρίως στο εγγύς υπέρυθρο. Σε λίγα εκατομμύρια χρόνια ο γαλαξίας θα “σβύσει” εντελώς.

Ας πάμε τώρα στο james Webb. Το τηλεσκόπιο φέρει την τελευταίας τεχνολογίας κάμερα υπερύθρου Near – Infrared με αποστολή να ρίξει φως στους σκοτεινούς αιώνες του σύμπαντος και στην περίοδο του επαναϊονισμού. Το τηλεσκόπιο μας είχε προϊδεάσει με την πρώτη του φωτογραφία(κάτω).

Στη φωτογραφία φαίνονται κάποιοι κοντινοί γαλαξίες, φωτεινά Quasar και πολύ μακρινοί γαλαξίες(μικρές κόκκινες κουκίδες). Είναι με διαφορά η πιό ευκρινής απεικόνιση της περιοχής.

Το τηλεσκόπιο συνέχισε και θα συνεχίσει για πολύ ακόμα την αποστολή του και μας έστειλε και την επόμενη(κάτω) με 6 γαλαξίες του πρώιμου σύμπαντος(500 – 700 εκ χρόνια μετά την big bang).

Θα ήταν μία φωτογραφία ρουτίνας και μάλιστα όχι των πιό μακρυνών γαλαξιών που έχουν εντοπιστεί, αν οι γαλαξίες αυτοί δεν ήταν τόσο μεγάλοι και τόσο φωτεινοί. Οι κοσμολόγοι περίμεναν στο πρώιμο σύμπαν μικρούς γαλαξίες στα πρώτα στάδια της εξέλιξης, ενώ αυτοί και μεγάλοι είναι(περίπου σαν τον δικό μας) και εξελιγμένοι. Χρόνος δεν υπήρχε ούτε για να μεγαλώσουν τόσο ούτε και να έχουν αστέρια σε προχωρημένο στάδιο εξέλιξης. Τι έχει συμβεί; Έχουν δοθεί διάφορες ερμηνείες που δε θα αναφέρω, χωρίς πάντως να θιχτεί το ιερό δισκοπότηρο , σωστά θα έλεγα είναι νωρίς ακόμα.  Εν αναμονή.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Το James Webb έκανε και θα συνεχίσει να κάνει τη δουλειά που του ανατέθηκε. Μιλάμε για σκοτεινούς αιώνες άρα όλα παίζουν. Προς τι η έκπληξη; Εγώ που δεν είμαι κοσμολόγος περίμενα εκπλήξεις καθώς είμαι και αντι big bang νιστής. Δεν έχω στοιχεία περί αυτού ενώ οι υπέρμαχοι έχουν περισσότερα, απλά από διαίσθηση που απορρέει από όσα ανέφερα παραπάνω όπου τα θεμέλια της big bang στηρίζονται σε θεωρίες και όχι παρατηρησιακά δεδομένα. Επιπλέον κορυφαία ζητήματα μένουν αναπάντητα(επικράτηση ύλης, σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή ύλη και πάρα πολλά επιμέρους). Ένας σύντροφος αντί έχει πεί “Σε λίγα χρόνια οι κοσμολόγοι θα απορούν πως έγινε αποδεκτή μία θεωρία που άφηνε  αναπάντητα τόσα πολλά κορυφαία ερωτήματα”.