Ősrobbanás: egy döbbenetes felfedezés megválaszolatlan kérdőjelei

Amikor öt éve, 2021 decemberében útjára indították a 6,5 méteres tükörátmérővel és számos, az űrteleszkópok történetében forradalmi újításnak számító speciális detektorral felszerelt, az univerzum mélységeibe minden korábbinál távolabb látó James Webb űrtávcsövet, az asztronómusok azt remélték, hogy az új műszernek köszönhetően a világegyetem számos eddig ismeretlen titkait fedhetik fel. Ebben a várakozásban nem is kellett csalódniuk, hiszen az elmúlt öt évben rengeteg új információt kaphattunk az univerzumról, amelyek közül az egyik, még 2022-ben tett felfedezés újraírhatja az ősrobbanás elméletével és az univerzum keletkezésével kapcsolatos eddigi ismereteinket.

Az univerzum keletkezését övezi a legtöbb rejtély Fotó: AAS Nova

Az ősrobbanás számos empirikus megfigyeléssel alátámasztott elmélete szerint az univerzum nagyjából 13,8 milliárd éve egy olyan szingularitásból keletkezett, amely magában foglalta a ma ismert világegyetem összes anyagát és energiáját, és ami előtt nem létezett sem a tér, sem pedig az idő.

Az ősrobbanás az univerzum keletkezésére vonatkozó legelfogadottabb kozmológiai elmélet (Fotó: Solar Story)

Az ősrobbanás utáni „lehetetlen galaxis” rejtélye

A James Webb űrteleszkóp (JWST) egy még 2022 júliusában detektált észlelése mélyen megdöbbentette a tudósokat, amikor valami olyasmit fedeztek fel, ami megkérdőjelezi a modern kozmológia egyik legelfogadottabb elmélete, az ősrobbanás teoretikus alapjait – írta a New Scientist tudományos hírportál. A James Webb űrtávcső segítségével felfedezett több milliárd fényévnyire található rejtélyes kozmikus struktúra ugyanis mélyreható kérdéseket vetett fel az ősrobbanás-elmélet helyességével kapcsolatban. 

A forradalmi James Webb űrtávcső (Fotó: NASA)

Fejlett infravörös képalkotásának segítségével a JWST egy olyan látszólag nagyon nagy, galaxisszerű szerkezetet talált, ami már nem sokkal az ősrobbanás után is létezett az univerzum történetének abban a periódusában, amikor egy ehhez hasonló galaxisszerű objektumnak a jelenlegi ismereteink szerint még nem lett volna szabad léteznie. Ez az objektum, a GLASS-z12, vagy más néven a GHZ2, korábban pedig GLASS-z13 néven katalogizált úgynevezett Lyman-töréses galaxis, amelyet a Grism Lens-Amplified Survey from Space (GLASS) megfigyelőprogram fedezett fel a James Webb űrteleszkóp NIRCam kamerájával 2022 júliusában.

             Az ismert legősibb galaxis, a GLASS-z13 jelű kozmikus objektum a JWST infravörös tartományban készült felvételén                                     (Fotó: NASA/STScI/GLASS-JWST program)

A Lyman-töréses galaxisok olyan nagy vöröseltolódású csillagvárosok, amelyeket az adott galaxis különböző képalkotó szűrőkben való eltérő megjelenése alapján választanak ki a Lyman-határ helyzete miatt. A technikát elsősorban z = 3–4 vöröseltolódású galaxisok kiválasztására használták ultraibolya és optikai szűrők segítségével, de az ultraibolya és az infravörös csillagászat fejlődése lehetővé tette e technika alkalmazását az alacsonyabb és a magasabb vöröseltolódások esetén is ultraibolya és közeli infravörös szűrők segítségével.

A GLASS-z12 spektroszkópiai vöröseltolódásának értéke 12,34, így ez az egyik valaha felfedezett legtávolabbi galaxis, illetve csillagászati objektum. A számítások szerint a GLASS-z12 vöröseltolódása kereken 13,44 milliárd fényév távolságnak felel meg. Mivel a fényév nem csupán egy adott objektum kozmikus távolságát, hanem az objektum észlelt állapotának a korát is kifejezi, ebből az következik, hogy a GLASS-z12 nagyjából 355 millió évvel az ősrobbanás után már egy kiterjedt és nagy, számos csillagból továbbá nagy mennyiségű intersztelláris porból, illetve gázból álló galaxisszerű objektum volt. Praktikusan ez azt jelenti, hogy a jelenlegi korának körülbelül már a 2,57 százaléknyi idején egy fejlett kozmikus struktúra lehetett. 

Mélyreható kérdések, amikre egyelőre nincsen válasz 

Ez az ősrobbanást követő és 300–400 millió év közé eső periódus a korai univerzumnak egy olyan időszaka, amikor a fiatal világegyetem éppen a pubertáskorába lépett. Az univerzum evolúciójára vonatkozó modern kozmológiai elmélet szerint ez a korai univerzum még mindig nagyon zavaros és forró entitás volt, amelyben a világegyetem tágulásával párhuzamosan zajló lehűlési folyamat vezetett el az elemi részecskék, majd az atomok kialakulásához. 

A korai univerzum különböző aspektusait bemutató illusztráció (Fotó: ESA/Lives Science)

Ezen az időszalagon a fokozatosan kialakuló első csillagok legkorábban 400 millió évvel, majd a legelső galaxisok 1 milliárd év elteltével alakultak ki a nulladik pillanat, vagyis az ősrobbanás után, a galaxishalmazok pedig még ennél is csak sokkal később jelenhettek meg a világegyetemben. Ezt az elméleti idősíkot követve a GLASS-z12-höz hasonló igen fejlett és nagy struktúra kialakulása csak az ősrobbanás után több milliárd évvel későbbre lenne várható. Éppen ezért ez a felfedezés nemcsak a galaxisképződés idővonalát kérdőjelezi meg, hanem mélyreható kérdéseket vet fel az univerzum legkorábbi pillanatainak természetével kapcsolatban. 

Nem lenne szabad léteznie a jelenlegi modell szerint

De melyek azok az univerzum legkorábbi pillanatainak természetére vonatkozó kérdések, amelyek a James Webb űrtávcső felfedezéséből következnek? 

Az első ilyen kérdés a váratlanul nagy méret és tömeg problematikája. 

A GLASS-z13 ugyanis akkora tömegű, ami egy fejlett átlagos galaxis tömegével azonos. De ugyancsak ehhez hasonló rendkívül komoly fejtörést jelentő kérdés az objektumban lévő csillagok továbbá az intersztelláris por és gáz nagy tömege, ami ilyen röviddel az ősrobbanás után már kimutatható a GLASS-z13-ban, ez ugyanis ellentmond a jelenlegi elméleteknek.

         A GLASS-z13 a James Webb űrtávcső NIRCam detektorával készített felvételén                   (Fotó: NASA/STScI/GLASS-JWST program)

 További megválaszolatlan kérdés, hogy a GLASS-z13-at a fényjelek alapján már kifejlett csillagok építik fel, 

ez viszont arra utal, hogy a csillagkeletkezés sokkal gyorsabban vagy talán egyszerűen csak másként zajlik, mint ahogy azt eddig gondoltuk. De még az előzőeknél is döbbenetesebbnek számít az a felfedezés, hogy rendellenes a GLASS-z13 kémiai összetétele, mivel olyan nehéz elemeket, például szenet és oxigént is tartalmaz, amelyek csak számos csillagéletciklus lezajlása után keletkeznek a jelenlegi ismereteink szerint. Pillanatnyilag nincsen elfogadható magyarázat arra, hogyan kerülhettek ilyen elemek ilyen korán egy ennyire extrém fiatal galaxisba.

Az univerzum történetének időszalagja az ősrobbanástól (Fotó: ELTE)

Az ősrobbanás elmélete szerint a világegyetem körülbelül 13,8 milliárd évvel ezelőtt egy szupersűrű és forró szingularitásból jött létre, gyorsan tágult, majd lehűlt és anyaggá, illetve energiává alakult, felvéve azokat a kozmikus struktúrákat, amiket ma is ismerünk. A GLASS-z13-mal kapcsolatos új felfedezés éppen ezért a következőkre utalhat:

• Hibás idővonal:
  A világegyetem sokkal korábban alakíthatta ki struktúráit, mint azt eddig becsülték, ami viszont megköveteli a korai kozmikus események idővonalának módosítását. 
• Alternatív eredetelmélet:

Lehetséges, hogy az ősrobbanás nem az az egyetlen esemény, ami mindent elindított. Erre tekintettel egyes asztrofizikusok az úgynevezett ciklikus vagy pulzáló univerzum elmélete lehetségességét fontolgatják. Ebben a modellben a kozmosz folyamatosan kitágul és összehúzódik.

• Ismeretlen erők működése:

Az egzotikus fizika, mint például a sötét anyag vagy a sötét energia, sokkal mélyebb hatást gyakorolhatott az univerzumra, mint amit a jelenleg használt modellek feltételeznek. 

• Multiverzum vonatkozások:

A GLASS-z13 titokzatos jelenléte a mi és más univerzumok közötti kölcsönhatások jelzője lehet egy számos világegyetemből álló úgynevezett multiverzum környezetben, ahol a saját univerzumunkban uralkodó körülményeket valamilyen módon befolyásolják az ennek határán kívüli események. 

Sokkal összetettebb és rejtélyesebb az univerzum, mint gondolnánk

Ami tény, hogy a felfedezés nagy port vert fel az asztrofizikusok és a kozmológusok közösségben. Míg egyes kutatók óvatosságra intenek és azt sugallják, hogy további adatokra van szükség az eddigi megállapítások megerősítéséhez, mások a kozmoszról alkotott képünk újraértelmezésének lehetőségét is felvetik. Sarah Calloway, a Cambridge-i Egyetem kozmológusa szerint: „Ez az a fajta felfedezés, amely egy generációnként csak egyszer történik meg. Ha megerősítést nyernek az eredmények, az arra kényszerítene bennünket, hogy alapvetően újragondoljuk az univerzum születéséről alkotott modelljeinket.”

Lehet, hogy át kell értékelni az uzniverzum keletkezésére vonatkozó kozmológiai elméleteket (Fotó: Space Wallpapers)

 A szkeptikusok azzal érvelnek, hogy ezt az anomáliát valamilyen tisztázatlan megfigyelési hiba is okozhatta; azonban a JWST fejlett képességeit tekintve ez igen valószínűtlennek látszik. Nem az első alkalom, hogy a James Webb űrtávcső észlelési eredményei felforgatják az univerzumról alkotott elképzeléseinket. A legősibb galaxisok felfedezésétől az exobolygók légkörének megfigyeléséig a teleszkóp folyamatosan feszegeti a lehetségesnek tartott határokat. 

Ennek a felfedezésnek azonban különösen mélyreható következményei lehetnek. 

Ha az ehhez hasonló korai hatalmas kozmikus szerkezetek gyakoriak voltak, akkor a galaxisok kialakulásának és fejlődésének teljes elméletét újra kell gondolnunk. A jelenlegi modelleket, mint például a Lambda-CDM (Cold Dark Matter, hideg anyag elmélet) modellt jelentősen módosítani kell, vagy egy másik elméletet kell javasolni a JWST által felfedezett jelenségek magyarázatára.

A nagy összeomlás művészi ábrája (Fotó: Pinterest/Ashfaq Ahmad)

 A JWST felfedezése a „Nagy Bumm” utáni kozmológia korszak kezdetét jelezheti, ahol újabb elméletek születnek az univerzum keletkezésének magyarázatára. Ennek a titokzatos szerkezetnek a felfedezése több kérdést vet fel, mint amennyi választ ad, ami potenciális paradigmaváltás kezdetét jelentheti a kozmológiában. Míg az ősrobbanás elmélete a modern tudomány egyik sarokköve, az ehhez hasonló felfedezések arra emlékeztetnek bennünket, hogy a világegyetem sokkal összetettebb és rejtélyesebb, mint amit jelenleg fel tudunk fogni.