Η αλήθεια πίσω από τα τελευταία ευρήματα του JWST: Διαχωρίζοντας τα γεγονότα από τη μυθοπλασία!

Για άλλη μια φορά, τα μέσα ενημέρωσης πήραν ένα αποτέλεσμα του αγαπημένου μας James Webb Space Telescope (JWST) και το έστρεψαν σε κάτι που θα ήθελαν να ακούσουν. Κάτι που θα έκανε νούμερα προβολών στις ιστοσελίδες τους. Η αλήθεια είναι ότι τα ευρήματα που παρουσίασε η ομάδα του Ivo Labbé στο επιστημονικό περιοδικό Nature τον Φεβρουάριο του 2023 είναι όντως εντυπωσιακά αλλά σε καμία περίπτωση ριζοσπαστικά. Το παιχνίδι χάθηκε από την στιγμή που τα πρώτα άρθρα ξεκίνησαν να γράφουν για “6 γαλαξίες που δεν θα έπρεπε να υπάρχουν” και συνεχίστηκε με ένα domino effect λέγοντας ότι οι νέοι γαλαξίες που εντοπίστηκαν από το JWST ξαναγράφουν την ιστορία του σύμπαντος και πως καταρρίπτουν την θεωρία της μεγάλης έκρηξης. Στο Didactics τα νέα μπορεί να αργούν να δημοσιευτούν κάποιες φορές αλλά μόλις δοθούν στο κοινό θα είναι καλά μελετημένα. Πάμε λοιπόν να αναλύσουμε το επιστημονικό paper της ομαδας του Ιvo Labbé με τίτλο “A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang” που μιλάει για 6 υποψήφιους γαλαξίες μεγάλης μάζας στο νεαρό σύμπαν.

Αρχικά πρέπει να γνωρίζουμε δυο βασικά πράγματα για το φως των γαλαξιών που παρατηρούμε μέσα από τα όργανα παρατήρησης του JWST αλλά και άλλων τηλεσκοπίων. Οσο πιο βαθιά βλέπει κάποιος στο σύμπαν τόσο πιο στο παρελθόν κοιτάζει. Βλέπεις το φως ταξιδεύει εντός του σύμπαντος με μια πεπερασμένη ταχύτητα. Συνεπως το φως από τις απομακρυσμένες γωνιές του σύμπαντος χρειάζεται αρκετό χρόνο για να μας φτάσει. Το πόσο χρόνο χρειάζεται εξαρτάται από το πόσο μακριά ήταν ο γαλαξίας που μας στείλε το φως την στιγμή που μας το έστειλε. Σήμερα είμαστε σε θέση να παρατηρούμε γαλαξίες που το φως τους ταξίδευε πάνω από 13 δις χρόνια μέχρι να μας φτάσει. Στο φως αυτό αποτυπώνεται η εικόνα των γαλαξιών όπως αυτοί ήταν 13+ δισ χρόνια στο παρελθόν. Άρα είναι σαν να βλέπουμε το παρελθόν των γαλαξιών αυτών. 

Είναι επίσης γνωστό ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Αυτό σημαίνει ότι ο διαγαλαξιακός χώρος συνεχώς τεντώνεται και μαζί με αυτόν τεντώνεται και το φως που ταξιδεύει εντός αυτού. 

Αυτό το τέντωμα στην Φυσική το ονομάζουμε μετατόπιση προς το ερυθρό καθώς όταν τεντώνεται το φως μετατοπίζεται προς το ερυθρό χρώμα δηλαδή προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Έτσι το φως των απομακρυσμένων γαλαξιών παρατηρειται μετατοπισμενο στο το ερυθρό ή ακόμα και στο υπέρυθρο που δεν μπορούμε να το ανιχνεύσουμε με τα συμβατικά τηλεσκόπια ή με γυμνό μάτι.

Για αυτό τον λόγο κατασκευάσαμε το James Webb. Για να μπορούμε να ανιχνεύουμε αυτό το φως των πιο απόμακρων γαλαξιών που έχει μετατοπιστεί στο υπέρυθρο. Η ομάδα λοιπόν του Ιvo Labbé πήρε το φώς των γαλαξιών που είχε αποτυπωθεί στις φωτοφραφίες του JWST και το ανάλυσε με σκοπό να υπολογίσει την μάζα και την απόσταση κάποιων γαλαξιών. Πριν αναφερθούμε όμως στην ανάλυση που δημοσιεύσανε πρέπει να γνωρίζουμε τον τροπο που συνήθως οι αστροφυσικοί αναλύουν το φως από τους γαλαξίες και εξαγάγουν πληροφορίες από αυτό. Ο τρόπος αυτός ονομάζεται φασματοσκοπική ανάλυση φωτός  Τι είναι λοιπόν το φάσμα του φωτός; Συχνά όταν ακούμε φάσμα αυτό που μας έρχεται στο μυαλό είναι ένα πρισμα το οποίο διαχωρίζει το φως στα επιμέρους χρώματα, δηλαδή στα επιμέρους μήκη κύματος.

Στην φασματοσκοπία αυτό που κοιτάμε είναι το πόση ένταση έχει το κάθε μήκος κύματος, το κάθε χρώμα δηλαδή, και στην συνέχεια προσπαθούμε να βγάλουμε διάφορα συμπεράσματα από την καμπύλη έντασης - μήκους κύματος. Αυτή η καμπύλη έντασης - μήκους κύματος του φωτός ονομάζεται φάσμα φωτός. Ένα φάσμα φωτός ενός απομακρυσμένου γαλαξία, καθώς ταξιδεύει εντός του διασταλόμενου χώρου, μετατοπίζεται προς το ερυθρό. Παράλληλα με την μετατόπιση του φάσματος συμβαίνει και κάτι ακόμα. Το φως συναντά στον δρόμο του συνεχώς άτομα υδρογόνου. Βλέπεις περίπου το 75% των ατόμων στο σύμπαν είναι άτομα υδρογόνου. Αυτό σημαίνει ότι το φως που ταξιδεύει βρίσκει συνεχώς στο δρόμο του κατα κύριο λόγο νέφη υδρογόνου. Το υδρογόνο αυτό απορροφάει από το φως δυο συγκεκριμένα μήκη κύματος. Όσο λοιπόν το φάσμα του γαλαξιακου φωτός μετατοπίζεται προς το ερυθρό, στην προσπάθεια του να μας φτάσει, τα δυο αυτά μήκη κύματος σβήνονται από το φάσμα του συνεχώς. Το αποτέλεσμα αυτό αναπαριστάται στο παρακάτω κινουμένο σχεδίο.

Κατα την διαδικασία φασματοσκοπικής ανάλυσης αυτό που ψάχνουμε είναι το σημείο της απότομης πτώσης στο φάσμα φωτός που προκλήθηκε από το αέριο υδρογόνου που συναντά το φως του γαλαξία στο ταξίδι του. Αυτό το σημείο πτώσης λέγετε Lyman Break και το μήκος κύματος στο οποίο εμφανίζεται εξαρτάται από το πόση απόσταση έχει καλύψει το φως μέχρι να μας φτάσει. Όσο πιο μακριά είναι ένας γαλαξίας τόσο περισσότερο χρόνο το φως του ταξιδεύει εντός του διασταλομενου χώρου και άρα τόσο πιο πολύ το φάσμα του μετατοπίζεται προς το ερυθρό με συνέπεια το Lyman Break να εμφανίζεται σε όλο και μεγαλύτερα μήκη κύματος. Το Lyman Break λοιπόν κουβαλά την πληροφορία της απόστασης του γαλαξία από εμάς. Και οσο πιο μακριά είναι ένας γαλαξίας από εμάς τόσο πιο βαθιά τον εντοπίζουμε στο παρελθόν του. Έτσι λοιπόν εξαγάγουμε από το φάσμα φωτός την απόσταση των απομακρυσμένων γαλαξιών και πόσο στο παρελθόν του κοιτάμε. 

Επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός της μάζας των απομακρυσμένων γαλαξιών. Για τον υπολογισμό της μάζας ψάχνουμε στο φάσμα του γαλαξία ένα άλλο break. Το Balmer Break. Σε αντίθεση με το Lyman break, το Balmer break δεν προκαλείται από το αέριο υδρογόνου που απλώνεται στο σύμπαν. Προκαλείται στις ατμόσφαιρες των ίδιων των αστέρων που συνθέτουν τον εκάστοτε γαλαξία. Το πόσο έντονο εμφανίζεται το Balmer break εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πυκνότητα της ατμόσφαιρας γύρω από τα αστέρια αυτά. Η θερμοκρασία και η πυκνότητα εξαρτάται όμως από την μάζα των αστέρων και από την μάζα των αστέρων κάποιος μπορεί να υπολογίσει την φωτεινότητα τους. Έτσι, μετρώντας κάποιος το πόσο ισχυρό είναι αυτό το Balmer break, αποκτάει μια εκτίμηση για την μέση μάζα και την μέση φωτεινότητα των αστέρων που αποτελούν τον εκάστοτε γαλαξία. Μετρώντας στην συνέχεια την συνολική φωτεινότητα του γαλαξια και γνωρίζοντας την μέση μαζα και μέση φωτεινότητα των αστέρων που τον αποτελούν μπορούμε να υπολογίσουμε την συνολική μάζα του γαλαξία. 

Είναι λοιπόν ξεκάθαρο ότι για να υπολογίσει κάποιος με ακρίβεια την μάζα και την απόσταση ενός απομακρυσμένου γαλαξία, πρέπει να γνωρίζει το φάσμα του γαλαξία και να εντοπίσει τα Lyman και Balmer breaks. Να κάνει δηλαδή φασματοσκοπική ανάλυση στο φως του γαλαξία.

Η επιστημονική ομάδα του Ιvo Labbé βασίστηκε για την έρευνα της σε μια άλλη μέθοδο που ονομάζεται φωτομετρία. Στην φωτομετρία αυτό που κάνει κάποιος είναι να φωτογραφίζει έναν γαλαξία βάζοντας διαφορά “φίλτρα στην κάμερα” του. Τα φίλτρα αυτά αφήνουν να περάσει φως στον σενσορα της κάμερας συγκεκριμένου μήκους κύματος (δηλαδή "χρώματος"). Για την ακρίβεια αφήνουν να περάσει μια ζώνη μήκος κύματος. Στην συνέχεια αλλάζει το φίλτρο αυτό και ξαναφωτογραφίζει τον γαλαξία με ένα φίλτρο που αφήνει την γειτονική ζώνη μήκους κύματος. Το αποτέλεσμα είναι να έχουμε μια σειρά φωτογραφιών του ίδιου γαλαξία σε διάφορες περιοχές του φάσματος του. Στην σελίδα 29 του επιστημονικού paper της ομάδας του Labbé αυτή η σειρά φωτογραφιών για τους 6 υποψήφιους γαλαξίες παρατίθεται στο κοινό. Στην σειρά φωτογραφιών του δεύτερου γαλαξία (παρακάτω εικόνες) βλέπουμε τα εξής

Στην ζώνη φάσματος που χρησιμοποιήθηκε για την δεύτερη φωτογραφία από αριστερά ο υποψήφιος γαλαξίας δεν εμφανίζεται καθόλου, ενώ στην τρίτη φωτογραφία (γειτονική ζώνη φάσματος) ο γαλαξίας γίνεται εντοπίσιμος. Αυτό μας λέει ότι το Lyman break θα πρέπει να είναι μεταξύ της δεύτερης και τρίτης ζώνης φάσματος που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα φωτομετρική ανάλυση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να έχουμε μια χονδρική εκτίμηση για την θέση του Lyman break και κατα επέκταση μια χονδρική εκτίμηση για την απόσταση του γαλαξία από εμάς. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τον υπολογισμό του Balmer break μέσα από την φωτομετρική ανάλυση. Συμπερασματικά η φωτομετρία μας προσφέρει μια εκτίμηση για την απόσταση και την μάζα των γαλαξιών, ενώ ο υπολογισμός αυτών των ποσοτήτων μέσω φασματοσκοπικής ανάλυσης είναι πολύ μεγαλύτερης ακρίβειας.

Ο ισχυρισμός λοιπόν ότι βρέθηκαν 6 γαλαξίες στο νεαρό σύμπαν μάζας πολύ μεγαλύτερης από ότι επιτρέπουν τα μοντέλα που έχουμε μέχρι στιγμής είναι και σωστός και λάθος. Λάθος, γιατί η μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση του φωτός των 6 γαλαξιών αυτών είναι η φωτομετρία που παρέχει μια πρόχειρη εκτίμηση για την μάζα και την απόσταση των γαλαξιών αυτών. Σωστός, γιατί αν τα ευρήματα αυτά επιβεβαιωθούν μέσω φασματοσκοπικής ανάλυσης τότε τα μοντέλα μας για τον σχηματισμό των γαλαξιών θα κριθούν ως ελαττωματικά. Σε καμία περίπτωση όμως μια επιβεβαίωση μέσω φασματισκοπίας δεν θα σημάνει το τέλος της θεωρίας που έχουμε για την εξέλιξη του σύμπαντος, της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης. Σε αυτό το σημείο βέβαια καλό είναι να αναφέρουμε ότι από καιρό είμαστε υποψιασμένοι για το ότι τα μοντέλα σχηματισμού των γαλαξιών που έχουμε είναι ελαττωματικά. Έρευνες όπως η Dark Energy Survey μας είχαν ήδη προετοιμάσει προς αυτήν την κατεύθυνση. 

Τον επόμενο καιρό περιμένουμε τα φασματοσκοπικά αποτελέσματα από το φως των 6 γαλαξιών αυτών. Κάντε την εγγραφή σας στην λίστα ενημερώσεων ώστε να λάβετε μέσω email τα έγκυρα αποτελέσματα την έρευνας που αναμένουμε.