Kosmiczny dylemat „jajko czy kura”: czy pierwsze były gwiazdy, czy czarne dziury?

Żyjemy w otoczeniu sytuacji, w których ten dylemat ma zastosowanie: co było pierwsze, kura czy jajko? W tym miejscu zajmę się bardzo aktualnym zagadnieniem w dziedzinie astrofizyki, dotyczącym procesów formowania się galaktyk. Rozwijamy ten temat. Przedstawiamy go, posługując się koncepcjami telegraficznymi, które już omówiliśmy, i zachęcamy czytelnika do zapoznania się z innymi artykułami w tej sekcji.

Galaktyki nie istniały zawsze. Był czas, prawie 13 miliardów lat temu, kiedy nie było gwiazd, tylko zupa materii, światła i ciemnej energii . Niestatyczny wszechświat nie przypadł Einsteinowi do gustu, ale jego własne równania – opracowane przez Lemaître'a, Leavitta i Hubble'a – udowodniły, że się mylił.

Galaktyki umierają. Galaktyki takie jak nasza, te piękne pobliskie galaktyki spiralne i eliptyczne, umierają — albo są już całkiem martwe. Wystarczy porównać, ile gwiazd powstaje dzisiaj, z tym, ile ich jest. Matematyka się nie zgadza : w obecnym tempie Droga Mleczna potrzebowałaby kilku wcieleń, aby stworzyć te, które już ma. Dlatego galaktyki w przeszłości musiały być znacznie bardziej aktywne w formowaniu się gwiazd, co potwierdziliśmy badając Wszechświat, gdy miał on około połowę obecnego wieku.

Coś powstrzymuje formowanie się gwiazd. Ponieważ tylko niewielki procent dostępnej materii – głównie wodoru – ostatecznie staje się gwiazdami, coś musi hamować ten proces. A winowajcą , według najszerzej akceptowanej teorii wśród astrofizyków, jest supermasywna czarna dziura, która zamieszkuje jądro każdej galaktyki. Te supermasywne czarne dziury zazwyczaj mają masę równą jednej tysięcznej masy gwiazdowej swojej galaktyki macierzystej, a mimo to wywierają niezwykły wpływ na ewolucję kosmosu.

Teoria ta ustala, że w pewnym momencie wczesnego wszechświata, być może 100 lub 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu - nadal nie wiemy dokładnie kiedy - pierwsze gwiazdy zaczęły się formować, gdy pierwotny gaz (głównie wodór, ale także trochę helu i bardzo mała ilość innych pierwiastków, takich jak lit ) uległ kondensacji. I tak narodziły się pierwsze galaktyki, w których w jakiś sposób pojawiły się i rozrosły supermasywne czarne dziury. Poprzez procesy, które nazywamy ujemnym sprzężeniem zwrotnym, te supermasywne czarne dziury ostatecznie uniemożliwiły gazowi dalsze posiadanie właściwych właściwości do tworzenia gwiazd, ponieważ energia uwolniona przez czarną dziurę zapobiega kondensacji gazu w galaktyki. Więc mielibyśmy proces formowania się gwiazd, następnie formowania się supermasywnej czarnej dziury, a ostatecznie to zatrzymałoby formowanie się gwiazd.

Ale teleskop kosmiczny JWST zmienia ten być może bardzo naiwny pogląd. Odkrywamy mnóstwo bardzo odległych galaktyk — to znaczy galaktyk, które istniały, gdy wszechświat był bardzo młody — które już miały supermasywne czarne dziury. I były one bardzo, bardzo duże, gdy wszechświat miał mniej niż 10% swojego obecnego wieku! Nawet spośród, powiedzmy, dziesięciu najodleglejszych galaktyk, o których wiemy, z w pełni potwierdzoną odległością, połowa może mieć czarne dziury o masie samej Drogi Mlecznej — około miliona słońc, a nawet nieco większe. Są tak duże, że ich masa może być większa niż masa gwiazdopodobna galaktyk macierzystych w tym młodym wszechświecie. Zwróć uwagę na czasownik warunkowy: wciąż sprawdzamy nasze obliczenia. Odkryliśmy również obiekty, które mogły mieć jeszcze większe masy nieco później, w pierwszych 15% historii wszechświata, tak zwane małe czerwone kropki . Bardzo trudno jest wyjaśnić, w jaki sposób tak duże czarne dziury mogły powstać w tak krótkim czasie i w galaktykach z tak małą liczbą gwiazd.

I tu pojawia się dylemat „jajko czy kura”. Czy proces ten rzeczywiście polegał na tym, że powstały gwiazdy, potem powstały czarne dziury, następnie czarne dziury rosły, a następnie czarne dziury w końcu zatrzymały formowanie się gwiazd? A może czarne dziury poprzedziły powstanie pierwszych gwiazd, potem zaczęły formować się słońca, potem czarne dziury rosły, a potem galaktyki obumarły? Nazwijmy czarne dziury jajkiem, a gwiazdy kurą, albo odwrotnie.

Pytanie nie jest trywialne. Jeśli supermasywne czarne dziury istniały przed gwiazdami, być może sprzyjały powstawaniu słońc, tylko po to, by wywołać efekt odwrotny, uniemożliwiając powstawanie kolejnych. Jeśli czarne dziury istniały już wcześniej, ich pochodzenie nie może być gwiezdne, a o tym pochodzeniu mamy sporo danych; wiemy, które gwiazdy tworzą czarne dziury (ale maleńkie w porównaniu z tymi supermasywnymi). Co się więc stało? Czy istniały zawsze? Czy powstały w procesie, którego jeszcze nie zaobserwowano, a być może zupełnie nieznanym, lub znanym, ale nieudowodnionym?

Dylemat jajka i kury nie jest nowy. Wydaje się, że Arystoteles już się nim zajął, dążąc do zidentyfikowania przyczyn i skutków oraz poszukując pierwszego nieruchomego poruszyciela. Wszystkie kury pochodzą z jaj, a z jaj rodzą się kury. Wydaje się, że niemożliwe jest istnienie jednego bez drugiego i na odwrót, pomijając rozważania na temat ewolucji gatunków (tak, jaja istniały przed kurami). Istnieje nieskończona sekwencja, a Arystoteles doszedł do wniosku, że nie ma początku; nic nie może być pierwsze w tej sekwencji. Jeśli nic nie może być pierwsze, kwestionujemy koncepcję czasu. W rzeczywistości Plutarch, rozważając ten sam problem, zdaje się zastanawiać, czy świat miał początek. A stamtąd możemy przejść do dyskusji o stworzeniu i wskoczyć w teologię. To nie moja dziedzina specjalizacji, ani nie jest to dziedzina specjalizacji w tej sekcji.

„Cosmic Void” to sekcja prezentująca naszą wiedzę o wszechświecie zarówno w ujęciu jakościowym, jak i ilościowym. Jej celem jest wyjaśnienie znaczenia zrozumienia kosmosu nie tylko z perspektywy naukowej, ale także filozoficznej, społecznej i ekonomicznej. Nazwa „cosmic vacuum” odnosi się do faktu, że wszechświat jest, i w przeważającej mierze, pusty, z mniej niż jednym atomem na metr sześcienny, pomimo faktu, że paradoksalnie w naszym otoczeniu znajduje się kwintylion atomów na metr sześcienny, co skłania do refleksji nad naszym istnieniem i obecnością życia we wszechświecie. Sekcję tworzą Pablo G. Pérez González , badacz z Centrum Astrobiologii, oraz Eva Villaver , zastępca dyrektora Instituto de Astrobiology de Canarias.