Ända sedan rymdteleskopet James Webb (JWST) fångade sin första glimt av det tidiga universum har astronomer blivit överraskade av närvaron av vad som verkar vara mer "ultramassiva" galaxer än väntat. Baserat på den mest accepterade kosmologiska modellen borde de inte ha kunnat utvecklas förrän långt senare i universums historia, vilket sporrar anspråk på att modellen måste ändras.
Detta skulle rubba årtionden av etablerad vetenskap.
"Utvecklingen av objekt i universum är hierarkisk. Du börjar smått och blir större och större", säger Julian Muñoz, biträdande professor i astronomi vid University of Texas i Austin och medförfattare till en nyligen publicerad artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev som testar förändringar av den kosmologiska modellen. Studien drar slutsatsen att det inte är nödvändigt att revidera den standardiserade kosmologiska modellen. Men astronomer kan behöva se över vad de förstår om hur de första galaxerna bildades och utvecklades.
Kosmologin studerar ursprunget, utvecklingen och strukturen av vårt universum, från Big Bang till våra dagar. Den mest accepterade modellen för kosmologi kallas Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM)-modellen eller den "standardiserade kosmologiska modellen". Även om modellen är mycket välinformerad har mycket om det tidiga universum förblivit teoretiskt eftersom astronomer inte kunde observera det helt, om alls.
Rymdteleskopet Hubble, som lanserades 1990, var avgörande för att utveckla och förfina den standardiserade kosmologiska modellen. Den observerar universum i ultravioletta, synliga och vissa nära-infraröda våglängder av ljus. Detta gör det dock bättre på att se vissa saker än andra. Hubble är till exempel väl rustad för att se mindre galaxer som ofta innehåller högre populationer av unga, ultravioletta stjärnor och mindre damm som tenderar att absorbera kortare våglängder.
JWST, som lanserades i slutet av 2021, är ett viktigt komplement till Hubbles kapacitet. Genom att observera i de nära- och mellaninfraröda våglängderna kan JWST upptäcka objekt som är osynliga för Hubble.
"Vi öppnar ett fönster mot det okända," sa Muñoz. "Vi kan nu testa våra teorier om universum där vi inte har kunnat tidigare."
Strax efter Big Bang var saker och ting inte helt enhetliga. Små variationer i densitet hade en betydande inverkan på universums framtida struktur och utveckling. Regioner med större densitet drog till sig mer materia på grund av gravitationen, vilket så småningom ledde till bildandet av större och större strukturer.
För att bli så stora så snabbt skulle de ultramassiva galaxerna som observerades av JWST i teorin bara vara möjliga om fler av dessa områden med högre densitet hade utvecklats direkt efter Big Bang. Detta skulle kräva att den vanliga kosmologiska modellen ändrades.
Muñoz och hans team testade denna hypotes.
De valde ett intervall av kosmisk tid för vilken både JWST- och Hubble-observationer är tillgängliga. Inom detta intervall identifierade de de mest massiva galaxerna som finns tillgängliga i JWST-data och beräknade mängden förändring av universums tidiga täthet som skulle behövas för att de skulle bildas.
De beräknade också hur många mindre galaxer som skulle bli resultatet av denna hypotetiska förändring. Dessa ytterligare mindre galaxer skulle ha observerats av Hubble.
"Men det är inte vad vi ser", förklarade Muñoz. "Du kan inte ändra kosmologi tillräckligt för att förklara detta överflödsproblem, med tanke på att Hubbles observationer också skulle påverkas."
Så varför hittar JWST så många ultramassiva galaxer? En möjlighet är att de innehåller supermassiva svarta hål. Dessa svarta hål skulle värma upp närliggande gas, vilket gör att galaxerna ser ljusare ut och därför mer massiva än de egentligen är. Eller galaxerna kanske inte alls finns i det tidiga universum, men de ser ut som de är eftersom damm gör att deras färg ser rödare ut än vad den annars skulle göra. Denna förändring skulle få galaxerna att verka längre bort än de är.
Förutom Muñoz är studieförfattare Nashwan Sabti och Marc Kamionkowski från Johns Hopkins University.
Mer information: Nashwan Sabti et al, Insights from HST into Ultramassive Galaxies and Early-Universe Cosmology, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.061002. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.07049
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av University of Texas i Austin
