Автор: Раджендра Гупта

Наблюденията на ранната Вселена от космическия телескоп Джеймс Уеб (JWST) не могат да бъдат обяснени с настоящите космологични модели. Тези модели предполагат, че Вселената е възникнала преди около 13,8 милиарда години от Големия взрив, след което неизменно се разширява.

Моето изследване предлага модел, който определя възрастта на Вселената на 26,7 милиарда години, а това вече обяснява наблюденията на JWST за „невъзможни ранни галактики“.

Терминът „невъзможни“ се обуславя от факта, че някои галактики, формирани в ранния стадий на Вселената – между 500 и 800 милиона години след Големия взрив – имат формата на дискове и протуберанси, които са характерни за галактики с по-дълъг живот и еволюция. А по-малките галактики са по-масивни от големите, което противоречи на очакванията.

Честота и разстояние
Оценката за възрастта на Вселената се получава от скоростта на разширяване на Вселената, измервайки червеното отместване* на спектралните линии на светлината, излъчвана от далечни галактики. По-ранна интерпретация на червеното отместване се основаваше на хипотезата, че светлината губи енергия, изминавайки големи космически разстояния. Това „обяснение за уморената светлина“ е вече несъстоятелно, защото противоречи на много наблюдения.

Червеното изместване на светлината е подобно на Доплеровия ефект при звука: звуците имат по-висока честота (тонове), когато се приближават, и по-ниска честота (тонове), когато се отдалечават. Респективно, червеното отместване има по-ниска честота на светлината, когато даден обект се отдалечава. Следователно, колкото по-голямо е разстоянието до галактиката, толкова по-голяма е скоростта на редукцията и на червеното отместване.

Алтернативно обяснение за червеното отместване е, че галактиките се отдалечават от нас със скорост, пропорционална на тяхното разстояние, което доказва, че Вселената се разширява. Моделът за разширяващата се Вселена е приет от повечето учени, след като астрономите Арно Пензиас и Робърт Уилсън откриха космическото свръхвисокочестотно фоново лъчение (CMB)** през 1964 г., което моделът за стационарно състояние не обясняваше задоволително.

Скоростта на разширяване определя и възрастта на Вселената. До изстрелването на космическия телескоп Хъбъл през 90-те години на миналия век догадките за скоростта на разширяване определяха възрастта на Вселената между 7 милиарда и 20 милиарда години. Допълнителни наблюдения фиксираха сега приетата стойност от 13,8 милиарда години, определяйки Големия взрив за начало.

Ограничения на предишни модели
Изследване, публикувано миналата година, предложи решаването на проблема с първите „невъзможни галактики“, прилагайки модела за „уморената светлина“. Но „уморената светлина“ не може да обясни задоволително други космологични наблюдения, като червеното отместване на свръхновите и еднородността на космическия свръхвисокочестотен фон.

Опитах се да комбинирам Стандартния модел за Големия взрив с модела за „уморената светлина“, за да видя дали заедно ще обяснят данните от JWST, но не получих задоволителни резултати. Това проучване обаче увеличи възрастта на Вселената до 19,3 милиарда години.

След това се опитах да създам хибриден модел, включващ „уморена светлина“ и космологичен модел, разработен от мен на основата на еволюционните константи на свързване, предложени от британския физик Пол Дирак през 1937 г. Този модел пасна добре на данните, но удвоява възрастта на Вселената.

Новият модел удължава времето за формиране на галактиките между 10 и 20 пъти по отношение на Стандартния модел, което е достатъчно за формирането на добре еволюирали „невъзможни ранни галактики“.

За да бъде прецизен, моделът обаче трябва да предложи задоволителни обяснения на всички наблюдения, които предполагат Стандартния космологичен модел.

Микс от модели
Подходът за смесване на два модела за обяснение на нови наблюдения не е нов. В теорията си за светлината Исак Нютон смята, че светлината съществува под формата на малки частици. И е била общоприета, докато не е изместена от вълновата теория, която е в състояние да обясни дифракционните модели, наблюдавани при монохроматичната светлина.

Алберт Айнщайн възкреси частиците на светлината, за да обясни фотоелектричния ефект, тоест, че светлината има двойни характеристики: частици и вълни.

Друг начин за измерване на възрастта на Вселената е чрез оценка на възрастта на звездите в кълбовидните купове на нашата галактика, Млечният път. Кълбовидните купове включват до един милион звезди и всички те са се образували по едно и също време в ранната Вселена.

Ако приемем, че всички галактики и клъстери са започнали да се формират едновременно, възрастта на най-старата звезда в клъстера трябва да покаже възрастта на Вселената (добавяйки времето, преди началото на формиране на галактиката). За някои звезди като Матусал, смятана за най-старата в галактиката, астрофизичното моделиране определя възраст, надвишаваща възрастта на самата Вселена (според Стандартния модел), което е невъзможно.

Айнщайн смяташе, че Вселената е една и съща, такава, каквато се наблюдава от всяка точка по всяко време: хомогенна, изотропна и вечна. Швейцарският астроном Фриц Цвики, през 1929 г., предложи теорията за „уморената светлина“,  за да обясни червеното отместване на далечни галактики в стационарна вселена, което нараства пропорционално на разстоянието до тях (закон на Хъбъл).

Информацията от JWST ще промени всичко
Въпреки че някои наблюдения от космическия телескоп Хъбъл предполагаха „невъзможни ранни галактики“, беше недостатъчно за прецизно обяснение. Изстрелването на JWST през декември 2021 г. и данните, които получихме в средата на 2022 г., недвусмислено показват, че „невъзможни ранни галактики“ са абсолютно възможни.

За да се оправдае Стандартния модел за Големия взрив, конвенционалната астрономия компресира времевата рамка за образуване на масивни звезди и първични черни дупки, натрупващи маса със скорост, непозната за физиката.

Но вече виждаме зараждането на нова физика, която притежава капацитета и релативността за обяснение на новите наблюдения от JWST.

Настоящите ми научни интереси са свързани с астрофизиката, космологията и обща теория на относителността. И най-вече – динамика на Вселената при еволюционни физически константи извън стандартния модел. Според мен вариациите на константите са корелантни и следователно не е възможно да бъдат наблюдавани. Моята хипотеза е, че наблюдаваните премествания на далечни галактики се дължат не само на разширяването на Вселената, но са следствие и от загуба на енергия на фотоните, дължащо се на космическото съпротивление.

* Червено отместване е отместването на спектралните линии на химичните елементи към червения край на спектъра на светлината, т.е. в посока на увеличаване на дължината на вълната.
** Космическото свръхвисокочестотно фоново излъчване (наричано още Реликтовото излъчване) е електромагнитно лъчение, идващо от всички посоки на небесната сфера, със спектър на абсолютно черно тяло с температура ~2,725 К

Тази статия е публикувана в The Conversation и е възпроизведена тук под лиценз Creative Commons. Щракнете тук, за да прочетете оригиналната версия (на английски език).

MOXIE, инструментът на борда на марсохода Perseverance, приключи работата си, след три години работа. MOXIE проведе 16 експеримента и успя да извлече годен за дишане кислород на Червената планета. Това постижение прави възможно по-добра и сигурна подготовката за първите пилотирани експедиции до Марс.

Нови инструменти за колонизиране на Марс
MOXIE е революционен, широкомащабен реактор за производство на кислород, разработен от Масачузетския технологичен институт, който ще бъде част и от бъдещи технически разработки, които да осигуряват на екипажите, посещаващи други планети, не само кислород, но и редица ключови за организма елементи.

Тези иновативни инструменти са известни като Инструменти за използваеми ресурси (In situ Resource Utilization – ISRU ). Развитието на ISRU, с оглед предстоящата мисия до Марс, ще бъде от още по-голямо значение през следващите десетилетия.

За какво ще ни послужат ISRU?
На различните космически обекти, които възнамеряваме да посетим, като Луната и Марс, има минерали, от които можем да извлечем необходимите за изследванията ни ресурси, без да се налага да се връщаме на Земята. Някои от най-важните елементи, задължителни за провеждане на експерименти, са кислород, вода и метан.

Извличането на определени химични елементи от минерали не винаги е лесно. Процесите изискват контрол на променливите в отделните фази и провокиране на химични реакции, които в много случаи отделят вредни елементи.

Когато става дума за жизненоважни ресурси, като въздуха за дишане, възможността да ги генерираме на Марс от самата атмосфера намалява рисковете за учените, които ще ги провеждат, като едновременно с това ще бъдат независими от Земята, отдалечена на милиони километри.

Предизвикателството кислород
Едно от основните предизвикателства пред бъдещите космически изследвания е ефективното производство на кислород и рециклирането на въглероден диоксид. Това е ключова и сложна тема. Кислородът е необходим както за дишането на астронавтите, така и за горенето на ракетното гориво. Освен това кислородът е нужен и за киселинните процеси, задължителни за поддържане на екосистеми в бъдещите марсиански бази.

Генерирането на кислород на Марс е сравнително по-лесна задача, отколкото на други планети, защото 96% от атмосферата му е въглероден диоксид.

Извличане на кислород от марсианската атмосфера
Наличието на кислород в атмосферата е предимство, дори само като съставка на въглеродния диоксид. На Луната, например, която няма атмосфера, за извличане на кислород е нужно загряване, дори топене на твърди минерали.

Инструментите за генериране на кислород трябва да бъдат ефективни, за да извличат достатъчно количество кислород. Защото, за да закараме, например, четирима астронавти на Марс, за всеки 7 тона ракетно гориво ще са ни нужни 25 тона кислород.

А за едногодишен престой на Марс на един астронавт са нужни около един метричен тон кислород. Добрата новина е, че MOXIE може да използва повторно въглеродния диоксид от човешкото дишане, да го рециклира и да го трансформира обратно в идеално годен за дишане кислород.

Как работи MOXIE
MOXIE е миниатюрен инструмент в малка, златиста кутия с размери 24 x 24 x 31 cm³, която е инсталирана на борда на марсохода Perseverance. През тези три години работа MOXIЕ демонстрира ефективността на технологията си. Чрез електролиза инструментът превръща въглеродния диоксид от марсианската атмосфера в идеално годен за дишане молекулярен кислород.

MOXIE събира въглероден диоксид, компресира го и го филтрира, за да елиминира всякакви замърсители. След това го загрява, отделяйки кислорода от въглеродния окис (CO). В последната фаза отделеният кислород допълнително се загрява в керамичен депозит, което слива кислородните атоми, създавайки молекулярен кислород, годен за дишане. А произведеният въглероден окис се изхвърля в атмосферата на Марс.

С MOXIE на борда си, марсоходът Perseverance изследва повърхността на Червената планета в продължение на три години. Много от експериментите, които проведе са от ключово значение за бъдещата пилотирана мисия до Марс, но без съмнение, най-вълнуващото му постижение е производството, за първи път в историята, на годен за дишане кислород в свят, отдалечен на 54,6 милиона километра от Земята.

Според астробиолога от Техническия университет в Берлин, Дирк Шулце-Макух, НАСА може да е открила живот на Марс преди почти 50 години, но неволно да го е убила, без да осъзнава, че това са форми на живот.

Това се случва през 1976 г., когато сондите Viking извършват серия от експерименти на повърхността на Червената планета, в опит за намиране на доказателства за живот.

Сондите са оборудвани с модерните биологични лаборатории Labeled Release (LR), предназначени за търсене и анализ на биологични единици. Сондите провеждат четири експеримента.

Първият експеримент – газов хроматографски масспектрометър (GCMS) – търси органични или въглеродни съединения в марсианската почва. Вторият е анализ на метаболизма чрез добавяне на радиоактивни хранителни вещества в почвата. Третият – пиролитично освобождаване, което фиксира наличието на въглерод във фотосинтетични организми в почвата. И четвъртият – тестване на метаболизма, чрез анализ на динамиката на газове, задължителни за наличието на живот (кислород, въглероден диоксид и азот).

Пробите са били инкубирани в среда от въглероден диоксид и въглероден оксид в продължение на няколко дни. Оказва се, че „нещо“ използва въглерода в изкуствената атмосфера, генерирайки органични молекули. Заключението на учените обаче е, че резултатът е „съмнителен“ – експериментите са открили нещо, което имитира живот, но не и самия живот.

Четиридесет години по-късно това заключение е оспорено от самия ръководител на експериментите, Гилбърт В. Левин, който публикува статията си в Scientific American.

А според Дирк Шулце-Макух „експериментите, извършени от спускаемите модули, биха могли да убият марсианските форми на живот, преди да бъдат идентифицирани, защото технологията им би заличила потенциалните микроби“.

Мнението на двамата учени е, че експериментите са дали двусмислени резултати, защото в 3 от тях (маркираното освобождаване, пиролитичното освобождаване и обмена на газове) е използвано твърде много вода.

Шулце-Макух предполага, че микробният живот на Марс е възможно да съдържа водороден прекис в клетките си, еволюционна адаптация, позволяваща им да извличат вода директно от атмосферата.

В екстремно сухи райони на Земята, като пустинята Атакама в Чили, има екстремофилни микроби, които живеят в изключително солени скали и абсорбират малки количества вода от въздуха. Такива хигроскопични скали и относителна влажност съществуват и на Марс, което, поне хипотетично, означава съществуването на подобни микроби на планетата.

„Ако тези микроби съдържат и водороден пероксид, химично съединение, съвместимо с някои форми на живот на Земята, това би им позволило да абсорбират повече влага от околната среда и да генерират някои от газовете, открити при експеримента етикетирано освобождаване“, казва Шулце-Макух.

Знаем също, че първият тест, тестът GCMS, открива следи от хлорни органични съединения, но учените от НАСА заключават, че те са в резултат от замърсяване с почистващи продукти, използвани на Земята.

Последващите мисии с марсоходи на Марс показват, че тези органични съединения са често срещани на Червената планета.

Ако приемем, че животът на Марс се адаптира към околната среда, поради наличието на водороден пероксид в клетките си, това обяснява резултатите от експериментите на сондите Viking. Инструментът, използван за откриване на органични съединения (GCMS), при анализа си нагрява почвените проби и, ако марсианските клетки съдържат водороден пероксид, това би ги убило. При нагряване, взаимодействието на водородния пероксид с органичните молекули генерира големи количества въглероден диоксид. И точно това се установява в експеримента.

Ако хипотезата на Дирк Шулце-Макух се потвърди, това ще означава, че машините, изпратени от хората, сами са унищожили живота в експерименталните почвени проби от Марс.