James Webb Space Telescope (JWST) odhalil šesť galaxií, ktoré vznikli len pár stoviek miliónov rokov po veľkom tresku, čo vyvolalo kozmologický problém. Tieto vesmírne štruktúry sa zdajú mať hmotnosť až 100-krát väčšiu, ako predpovedajú existujúce teórie, čo spochybňuje spoľahlivosť nášho súčasného chápania raného vesmíru.

Prvotné obdobie vesmíru

JWST je precízne navrhnutý na pozorovanie konca tzv. „Temnej éry“ raného vesmíru, kde existovala hmota a energia, ale ešte žiadne hviezdy. Prvé hviezdy sa začali zhlukovať do galaxií a tieto galaxie museli produkovať dostatočné množstvo ťažkých prvkov na vznik planét. Planéty obsahujú veľké množstvo ťažkých prvkov, ktoré sa tvoria v jadrách hviezd. Tento proces trvá dlho; naša slnečná sústava je druhou alebo treťou generáciou hviezdnych systémov, ktoré vytvorili Slnko.

Dnes vidíme, ako sa hviezdy rodia v hlbokých plynových oblakoch, kde tieto hviezdy majú planéty vo svojich obežných dráhach, všetky zložené z ťažkých prvkov, ktoré sa objavili neskôr. Vek našej domovskej galaxie Mliečnej dráhy sa odhaduje na približne 13,6 miliardy rokov, zatiaľ čo galaxie v otázke sa vytvorili v detskom veku vesmíru a zdanlivo obsahujú ohromné množstvo hviezd. Celková hviezdna hmota v týchto galaxiách sa zdá presahovať celkovú dostupnú hmotu vesmíru v tom čase.

Toto predstavuje zarážajúci paradox: vesmír by vzhľadom na svoj vek v tej dobe nemal byť schopný vyprodukovať entity s takým množstvom hviezd ako je Mliečna dráha. Tieto kozmické formácie vyzývajú hranice času a hmoty a tlačia našu kozmologickú vedomosť na jej limity.

Výzvy pre teoretickú fyziku

Tieto primordiálne galaxie, ktoré sú väčšie ako Mliečna dráha a majú len pol miliardy rokov, nás vedú k záveru, že niečo nie je v poriadku. Možno budeme musieť prehodnotiť našu teóriu o vzniku vesmíru. Zatiaľ čo teoretici zápasia s týmito otázkami, paralelný príbeh sa odohráva medzi pozorovacími astronómami, ktorí využívajú čoraz sofistikovanejšie teleskopy.

Osobný názor naznačuje, že by sme mohli sledovať monštruózne čierne diery, kde by mohli vzniknúť nové zákony fyziky. Temná hmota a temná energia, neviditeľné a tajomné, tvoria približne 95 percent vesmíru a ich existencia sa prejavuje iba cez ich gravitačné vplyvy, ale ich základná podstata stále ostáva tajomstvom. Tento fenomén zdôrazňuje dôležitosť sofistikovaných teleskopov ako JWST a jeho budúcich nástupcov, ktorí sa snažia odhaliť tieto nepolapiteľné aspekty nášho kozmu.

Prínosy JWST k vede

JWST nie je priamo schopný detegovať temnú hmotu ani temnú energiu. Avšak sledovaním distribúcie a evolúcie galaxií môže vrhnúť svetlo na štruktúry vytvorené temnou hmotou v čase. Pozorovania vzdialených supernov môžu poskytnúť kritické údaje o rýchlosti expanzie vesmíru, čo spresňuje naše chápanie temnej energie. Navyše, pozorovaním vesmíru v jeho ranom období môžeme získať náhľady do pôvodu všetkého a možno aj poskytnúť stopy o povahe veľkého tresku.

Inflačná kozmológia a jej výzvy

Návrat späť je kontroverzný a existuje teória nazvaná inflačná kozmológia, ktorá od 80. rokov minulého storočia dominuje. Táto teória využíva zvláštnosť Einsteinovej všeobecnej teórie relativity, kde gravitácia môže byť nielen príťažlivá, ale aj odpudivá. Tento jav využívajú fyzici ako Alan Guth, Andre Linde, Paul Steinhardt a Andreas Albrecht na vysvetlenie, že malý úlomok vo skorom vesmíre plný látky s touto odpudivou gravitáciou by mohol roztrhnúť všetko. Táto teória krásne vysvetľuje explóziu veľkého tresku.

Matematici analyzovali dôsledky tejto myšlienky a predpovedali malé teplotné rozdiely na nočnej oblohe, ktoré by mohli byť merané. Balóny a satelity s veľmi presnými teplomermi boli vyslané na meranie teploty nočnej oblohy a štatistické rozdelenie teplotných rozdielov súhlasí s predpoveďami tejto teórie. Keďže vedci sú nesmierne skeptickí, niektorí z nich vrátane Paula Steinhardta, ktorý pomohol vyvinúť túto teóriu, pochybujú o jej spoľahlivosti. Teória naznačuje, že by mohli existovať iné vesmíry alebo hovorí o dĺžkových škálach, ktoré sú extrémne malé, dokonca aj podľa tzv. Planckovej dĺžky, čo je najkratšia dĺžka, ktorú si môžeme predstaviť v teórii kvantovej gravitácie.

Big Bang a otázka času

Názov Big Bang je veľmi zavádzajúci. Keď počujeme slová Big Bang, mali by sme si uvedomiť, že nemáme ani najmenšie tušenie, čo sa stalo v tom počiatočnom okamihu. Možno, že čas začal tam, alebo že existoval čas predtým, ale to je za hranicami našich súčasných vedomostí. Všetky naše teórie zlyhávajú v bode singularity, teda v čase T rovnom nule. Snažíme sa postupne približovať k tomuto počiatku a zisťovať, či naše teórie, ako je všeobecná relativita a kvantová teória poľa, fungujú, keď sa približujeme k tomuto okamihu. Súčasná situácia je taká, že tieto teórie sa zdajú fungovať v časovom rámci 10 na mínus 33 sekúnd po veľkom tresku, čo je milióntina miliardtiny miliardtiny sekundy po veľkom tresku. Používame naše teórie, údaje a porovnávame ich v rámci vedeckej metódy.

Budúcnosť astronómie a fyziky

Problematika kvantového sveta, povaha času a paradox tvorby čiernych dier sú väčšinou mimo dosahu pozorovacích schopností JWST a sú primárne v doméne teoretickej fyziky. Tieto zložitosti by mohli vyžadovať revolučnú zmenu nášho konceptuálneho rámca. To však neoslabuje význam budúcich teleskopov, ktoré môžu poskytnúť presnejšie merania kozmických javov ako je kozmické mikrovlnné pozadie, čo by mohlo pomôcť spresniť naše chápanie temnej hmoty a energie. Ak vypočítate množstvo temnej hmoty, ktorá by mala byť k dispozícii na udržanie týchto galaxií pohromade, zistíte, že je to štyri alebo päťkrát viac ako množstvo hmoty (protónov, neutrónov, elektrónov), ktorá tvorí nás. To naznačuje, že väčšina hmoty vo vesmíre by mohla byť temnou hmotou a možno súvisiacou temnou energiou. Jadro, ktoré tvorí nás, môže byť malým zlomkom celkového rozpočtu hmoty a energie vesmíru.

Technologický posun vpred

Ako sa pozrieme do budúcnosti, technológie ako kvantové počítače a umelá inteligencia môžu posunúť náš pokrok vpred. Kvantové počítače by nám mohli umožniť simulovať kvantové systémy s bezprecedentnou presnosťou, čo by poskytlo nové náhľady do kvantovej mechaniky. Umelá inteligencia zase môže pomôcť triediť rozsiahle množstvá pozorovacích údajov, nachádzať vzory, ktoré by ľudské oči mohli prehliadnuť, a ponúkať nové smery pre teoretický výskum.

Cesta vpred nie je bez prekážok. Naše vedecké teórie, hoci sú veľmi úspešné, často odolávajú drastickým zmenám až do času, kým dôkazy nie sú ohromujúce. Kombinované s náročným rozsahom kozmických pozorovaní a kvantových simulácií, to predstavuje obrovské výzvy.

Vedecká metóda a kreativita

Veda sa často vníma ako nasledovanie určitého súboru predpísaných pravidiel, kde vedecká metóda je to, čo učíme deti. Avšak vždy, keď počujem o vedeckej metóde, moje srdce klesá, pretože my, vedci, nepoužívame vedeckú metódu v žiadnom rigidnom formulovaní. Umožňujeme našim kreatívnym predstavám, aby nás viedli na nečakané miesta a 99 percent času je to nesprávne, ale jedno percento môže byť správne. A práve toto dalo vzniknúť Einsteinovej všeobecnej relativite a kvantovej mechanike.

Keď stojíme na prahu tejto novej éry objavov, pripomína nám to, že pokrok často prichádza z interakcie medzi rôznymi oblasťami. Je to synergia medzi hmatateľným a abstraktným, videným a neviditeľným, teoretickým a pozorovaným, ktorá drží sľub mostov nad priepasťami v našom chápaní. V tomto veľkom kozmickom balete pokračuje tanec teórie, pozorovania, experimentov a simulácií, ktoré nás vedú stále bližšie k pochopeniu najhlbších tajomstiev vesmíru.