Ранні спостереження Всесвіту за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST) не можна пояснити сучасними космологічними моделями. Ці моделі оцінюють вік Всесвіту в 13,8 мільярда років на основі концепції великого вибуху, що розширюється. Мої дослідження пропонують модель, яка визначає вік Всесвіту 26,7 мільярда років, що пояснює спостереження JWST «неможливих ранніх галактик».
Неможливі ранні галактики стосуються того факту, що деякі галактики, що датуються космічним світанком — від 500 до 800 мільйонів років після Великого вибуху — мають диски та опуклості, подібні до тих, що пройшли тривалий період еволюції. І менші за розміром галактики, мабуть, масивніші за великі, що зовсім протилежно очікуванням.
Частота і відстань
Ця оцінка віку отримана на основі швидкості розширення Всесвіту шляхом вимірювання червоного зміщення спектральних ліній у світлі, випромінюваному далекими галактиками. Попереднє пояснення червоного зміщення ґрунтувалося на гіпотезі про те, що світло втрачає енергію, долаючи космічні відстані. Це пояснення «втомленого світла» було відхилено, оскільки воно не могло пояснити багато спостережень.
Червоне зміщення світла подібне до ефекту Доплера на звук: шуми мають вищу частоту (висоту) під час наближення та нижчу під час віддалення. Червоне зміщення, нижча частота світла, вказує, коли об’єкт віддаляється від нас; чим більша відстань до галактики, тим вище швидкість рецесії та червоне зміщення.
Альтернативне пояснення червоного зміщення пов’язане з ефектом Доплера: далекі галактики віддаляються від нас зі швидкостями, пропорційними їхній відстані, що вказує на те, що Всесвіт розширюється. Більшість астрономів віддали перевагу моделі Всесвіту, що розширюється, після того, як у 1964 році два астрономи, які працювали в Bell Labs, Арно Пензіас і Роберт Вілсон, випадково виявили космічне мікрохвильове фонове випромінювання (CMB), яке модель стаціонарного стану не могла задовільно пояснити.
Швидкість розширення по суті визначає вік Всесвіту. До запуску космічного телескопа Хаббл у 1990-х роках невизначеність у темпах розширення оцінювала вік Всесвіту від семи до 20 мільярдів років. Інші спостереження привели до загальноприйнятого значення 13,8 мільярда років, поставивши модель Великого вибуху на п’єдестал космології.
Обмеження попередніх моделей
Дослідження, опубліковане минулого року, пропонує розв’язувати неможливу проблему ранніх галактик за допомогою моделі втомленого світла. Проте втомлене світло не може задовільно пояснити інші космологічні спостереження, такі як червоне зміщення наднових і однорідність космічного мікрохвильового фону.
Я спробував поєднати стандартну модель великого вибуху з моделлю втомленого світла, щоб побачити, як вона відповідає даним наднових і даним JWST, але це не відповідало останнім. Однак це збільшило вік Всесвіту до 19,3 мільярдів років.
Далі я спробував створити гібридну модель, що включає втомлене світло та космологічну модель, яку я розробив на основі еволюційних констант зв’язку, запропонованих британським фізиком Полом Діраком у 1937 році. Це добре відповідало обом даним, але майже подвоїло вік Всесвіту.
Нова модель збільшує час утворення галактик у 10-20 разів у порівнянні зі стандартною моделлю, даючи достатньо часу для формування добре розвинених «неможливих» ранніх галактик, як спостерігалося. Як і з будь-якою моделлю, вона повинна буде надати задовільне пояснення для всіх тих спостережень, які задовольняє стандартна космологічна модель.
Змішування моделей
Підхід до змішування двох моделей для пояснення нових спостережень не новий. Ісаак Ньютон вважав, що світло поширюється у вигляді частинок у своїй теорії світла, яка переважала, поки її не замінила хвильова теорія світла в 19 столітті для пояснення дифракційних картин, що спостерігаються з монохроматичним світлом.
Альберт Ейнштейн воскресив частинкоподібну природу світла, щоб пояснити фотоелектричний ефект — світло має подвійні характеристики: схоже на частинки в одних спостереженнях і хвилеподібне в інших. Відтоді стало добре встановлено, що всі частинки мають такі подвійні характеристики.
Ще один спосіб вимірювання віку Всесвіту — оцінити вік зірок у кульових скупченнях нашої галактики — Чумацького Шляху. Кулясті скупчення включають до мільйона зірок, і всі вони, здається, утворилися одночасно в ранньому Всесвіті.
Якщо припустити, що всі галактики та скупчення почали формуватися одночасно, вік найстарішої зірки в скупченні повинен давати вік Всесвіту (за вирахуванням часу, коли галактики почали формуватися). Для деяких зірок, таких як Мафусаїл, які вважаються найстарішими в галактиці, астрофізичне моделювання дає вік, більший за вік Всесвіту, визначений за допомогою стандартної моделі, що неможливо.
Ейнштейн вважав, що Всесвіт є однаковим для спостереження з будь-якої точки в будь-який час — однорідний, ізотропний і позачасовий. Щоб пояснити спостережуване червоне зміщення далеких галактик у такому стаціонарному Всесвіті, яке, здавалося, збільшується пропорційно їхній відстані (закон Хаббла), швейцарський астроном Фріц Цвікі в 1929 році запропонував теорію втомленого світла.
Нова інформація
Хоча деякі спостереження космічного телескопа Хаббл дійсно вказували на неможливу ранню проблему галактик, ця проблема була твердо встановлена лише після запуску JWST у грудні 2021 року та даних, які він надав з середини 2022 року.
Щоб захистити стандартну модель великого вибуху, астрономи спробували розв’язувати проблему, стиснувши часову шкалу для формування масивних зірок і первісних чорних дір, які нарощують масу з нефізично високою швидкістю. Проте досягається консенсус щодо нової фізики для пояснення цих спостережень JWST. Джерело