Οι μακρινοί γαλαξίες μας δίνουν λεπτομέρειες του πρώιμου σύμπαντος

Η έρευνα αστρονόμων για τους πιο απόμακρους γαλαξίες που έχουν ποτέ εντοπιστεί, δημιούργησε το πρώτο κοσμικό χρονοδιάγραμμα για μια δραματική φάση στις απαρχές του σύμπαντος, την εποχή του επαναϊονισμού. Οι παρατηρήσεις αυτές προέρχονται από το ευρωπαϊκό Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο.

Μια καλλιτεχνική εικόνα που δείχνει γαλαξίες σε μια εποχή λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang, όταν δηλαδή το σύμπαν ήταν εν μέρει γεμάτο με μια ομίχλη υδρογόνου που απορροφούσε το υπεριώδες φως

Το νέο χρονοδιάγραμμα καλύπτει μια περίοδο του πρώιμου σύμπαντος που είναι γνωστή ως επαναϊονισμός, που έλαβε χώρα πριν 13 δισεκατομμύρια χρόνια. Η νέα μέθοδος χρονολόγησης δείχνει ότι τούτη η εποχή του επαναϊονισμού πρέπει να έχει πραγματοποιηθεί πιο γρήγορα από ό,τι νόμιζαν έως τώρα οι αστρονόμοι.

Η εποχή του επαναιονισμού ήταν μια σύντομη αλλά δυναμική φάση στην ιστορία του σύμπαντος, που εκτιμάται ότι έχει ηλικία περίπου 13,7 δισεκατομμυρίων ετών. Κατά τη διάρκεια αυτού του επαναϊονισμού, η ομίχλη του αερίου υδρογόνου στο πρώιμο σύμπαν διαλύθηκε και έγινε διάφανη στο υπεριώδες φως, για πρώτη φορά

Ο επαναϊονισμός

Η εποχή αυτή ξεκίνησε με τους Σκοτεινούς Χρόνους και είναι η δεύτερη από δύο αλλαγές φάσης του αερίου στο σύμπαν. Καθώς η πλειοψηφία της βαρυονικής ύλης είναι στη μορφή του υδρογόνου, ο επαναϊονισμός αναφέρεται συνήθως στον ιονισμό (για δεύτερη φορά) του υδρογόνου. Το πρωταρχικό ήλιο (που γεννήθηκε αμέσως μετά το Big Bang) στο σύμπαν δοκίμασε κι αυτό τις ίδιες αλλαγές φάσης, όμως σε διαφορετικούς χρόνους.Ακολουθεί με ευκολία πολύπλοκους συλλογισμούς και εξηγεί εύκολα τις σκέψεις του.

Η πρώτη αλλαγή φάσης του υδρογόνου στο σύμπαν ήταν ο επανασυνδυασμός, που συνέβη σε μια εποχή 380.000 χρόνια μετά το Big Bang ή με μία μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) z = 1100, λόγω της ψύξης του σύμπαντος οπότε ο ρυθμός του συνδυασμού ενός ηλεκτρονίου με ένα πρωτόνιο για τον σχηματισμό του ουδέτερου υδρογόνου, ήταν μεγαλύτερος από το ρυθμό ιονισμού του υδρογόνου. Το σύμπαν ήταν αδιαφανές πριν από τον επανασυνδυασμό, επειδή τα φωτόνια σκεδάζονταν από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (και, σε αισθητά μικρότερο βαθμό, από τα ελεύθερα πρωτόνια), αλλά έγινε διαφανές, καθώς όλο και περισσότερα ηλεκτρόνια και πρωτόνια ενώνονται για να φτιάξουν άτομα υδρογόνου. Κι ενώ τα ηλεκτρόνια στο ουδέτερο υδρογόνο (ή σε άλλα άτομα ή μόρια) μπορούν να απορροφήσουν τα φωτόνια σε ορισμένα μήκη κύματος μεταβαίνοντας σε μια διεγερμένη κατάσταση, ένα σύμπαν γεμάτο ουδέτερο υδρογόνο θα είναι σχετικά αδιαφανές μόνο σε αυτά τα μήκη κύματος, και διαφανές στο μεγαλύτερο μέρος του φάσματος. Οι σκοτεινοί αιώνες ξεκινούν από εκείνο το σημείο, γιατί δεν υπάρχουν πηγές φωτός ακόμα (άστρα), εκτός από την βαθμιαία μειούμενη κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Η δεύτερη αλλαγή φάσης έγινε όταν άρχισαν να σχηματίζονται άστρα στο πρώιμο σύμπαν, που το φως τους μπορούσε να ιονίσει το ουδέτερο υδρογόνο. Σύμφωνα με την επικρατούσα θεωρία, τα νεαρά άστρα παρήγαν έντονη υπέρυθρη ακτινοβολία η οποία ιόνισαν τα αέρια που είχαν δημιουργηθεί ως εκείνη τη στιγμή στο νεαρό Σύμπαν. Και το σύμπαν πέρασε από την ουδέτερη φάση των ατόμων του υδρογόνου πάλι σε ένα ιονισμένο πλάσμα, μεταξύ 150 εκατομμυρίων και ενός δισεκατομμυρίου χρόνων μετά το Big Bang (ή σε ένα redshift 6 <z <20). Μέχρι τώρα, πάντως, η ύλη έχει αραιωθεί λόγω της διαστολής του σύμπαντος και οι αλληλεπιδράσεις λόγω σκέδασης είναι πολύ λιγότερο συχνές από ό,τι πριν από τον επανασυνδυασμό. Έτσι, ένα σύμπαν γεμάτο από ιονισμένο υδρογόνο χαμηλής πυκνότητας θα παραμείνει διαφανές, όπως ακριβώς συμβαίνει σήμερα. Ας σημειωθεί ότι το αέριο στο διάστημα είναι 100% ιονισμένο, κάτι που κάνει εφικτή τη διάχυση του υπέρυθρου φωτός παντού μέσα σε αυτό.

“Οι αρχαιολόγοι μπορεί να ανακατασκευάσουν μια χρονική κλίμακα του παρελθόντος από εργαλεία που βρίσκουν σε διαφορετικά στρώματα του εδάφους," δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Adriano Fontana, του Εθνικού Ινστιτούτου για την Αστροφυσική (INAF) της Ιταλίας σε μια ανακοίνωσή του. "Οι αστρονόμοι μπορούν να κάνουν κάτι καλύτερο: μπορούμε να δούμε απευθείας στο μακρινό παρελθόν και να παρατηρήσουμε το αχνό φως από διαφορετικούς γαλαξίες και σε διαφορετικά στάδια της κοσμικής εξέλιξης Οι διαφορές μεταξύ των γαλαξιών μας πληροφορούν για τις μεταβαλλόμενες συνθήκες στο σύμπαν για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά και πόσο γρήγορα συμβαίνουν οι αλλαγές αυτές."

Η διεθνής ομάδα αστρονόμων χρησιμοποίησε το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στο Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρητήριο, που βρίσκεται στη Χιλή, για να εξετάσει το πρώιμο σύμπαν και τους πιο απομακρυσμένους γαλαξίες, σε αρκετές διαφορετικές χρονικές στιγμές, όταν το υπεριώδες φως ήταν σε θέση να περάσει ανεμπόδιστα μέσω της ομίχλης από υδρογόνο.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο ως μια χρονο-μηχανή και με αυτό έχουν πραγματοποιήσει μια μακρά και συστηματική αναζήτηση μακρινών γαλαξιών κατά τα τελευταία τρία χρόνια.

Τα στοιχεία από το τηλεσκόπιο βοήθησε τους αστρονόμους να μετρήσουν τις αποστάσεις αυτών των γαλαξιών με ακρίβεια, οπότε είδαν τους γαλαξίες όπως ήταν 780 εκατομμύρια έως ένα δισεκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang. Το σύμπαν σήμερα υπολογίζεται ότι είναι ηλικίας περίπου 13,700 δισεκατομμυρίων ετών.

Η κόκκινη κουκίδα στο κέντρο αυτής της πολύ βαθιάς εικόνας από το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο δείχνει το γαλαξία NTTDF-474, ένα από τα πιο μακρινά αντικείμενα που μετρήθηκαν ποτέ με τόσο ακρίβεια. Αυτό το εξαιρετικά εξασθενημένο αντικείμενο είναι ένα από τα πέντε που έχουν χρησιμοποιηθεί για να φτιάξουμε το χρονοδιάγραμμα του επανα-ιονισμού του σύμπαντος περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Τα αποτελέσματα της έρευνας που χρειάστηκε τρία χρόνια για να γίνει εμφανίζονται στο Astrophysical Journal.

Γενηθήτω φως

Τα ευρήματα της νέας μελέτης μας δίνουν επίσης και κάποιες ενδείξεις σχετικά με την πιθανή πηγή του υπεριώδους φωτός που έδωσε την απαραίτητη ενέργεια για τον επανα-ιονισμό.

Όταν άρχισε να ‘φωτίζεται’ το Σύμπαν

Υπάρχουν διάφορες θεωρίες για την προέλευση αυτής της ακτινοβολίας, αλλά δύο είναι οι κύριες απόψεις: η μία περιλαμβάνει την πρώτη γενιά των άστρων του σύμπαντος, και η άλλη είναι η έντονη ακτινοβολία που βγαίνει καθώς η ύλη πέφτει προς τις μαύρες τρύπες.

"Η λεπτομερής ανάλυση της αχνής λάμψης από δύο από τους πιο απόμακρους γαλαξίες που βρέθηκαν, δείχνουν ότι η πρώτη γενιά των άστρων μπορεί να έχει συμβάλει στην παραγωγή της ενέργειας," αναφέρει σε ανακοίνωσή του ο Eros Vanzella, του εν τη Τεργέστη Παρατηρητηρίου. “Αυτά τα άστρα θα ήταν πολύ μικρά και μεγάλα, περίπου 5.000 φορές μικρότερα και 100 φορές με περισσότερη μάζα από τον ήλιο. Ήταν δε ικανά να διαλύσουν την αρχέγονη ομίχλη και να την κάνουν διαφανή στο φως”.

Η γραμμή Lyman-άλφα, μία από τις ισχυρότερες γραμμές εκπομπής της υπεριώδους ακτινοβολίας, παράγεται από το αέριο υδρογόνο και είναι τόσο φωτεινή και διακριτή που μπορεί κάποιος να την δει, ακόμα και στις παρατηρήσεις των πολύ αχνών και μακρινών γαλαξιών.

Οι ερευνητές ανίχνευσαν τη γραμμή Lyman-άλφα σε πέντε πολύ μακρινούς γαλαξίες. Συγκρίνοντας αυτές τις γραμμές εκπομπής, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να παρατηρήσουν την μετατόπιση τους z προς το ερυθρό άκρο του φάσματος, κι έτσι καθόρισαν την απόσταση των γαλαξιών. Οι αποστάσεις έδειξαν μια περίοδο αμέσως μετά το Big Bang.

Από εκεί, οι αστρονόμοι θα μπορούσε να θέσουν τους γαλαξίες στη σειρά, δημιουργώντας ένα χρονοδιάγραμμα που να δείχνει πώς το φως από τους γαλαξίες εξελίχθηκε με την πάροδο του χρόνου. Επιπλέον, επειδή οι εκπομπές της γραμμής Lyman-άλφα στο φάσμα προέρχονται από το λαμπρό υδρογόνο μέσα στους γαλαξίες, μπόρεσαν έτσι να καθορίσουν τον τρόπο που ένα μεγάλο μέρος των εκπομπών είχε απορροφηθεί από την ομίχλη του ουδέτερου υδρογόνου στο διαγαλαξιακό χώρο, σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, όπως ανέφεραν οι ερευνητές.

"Βλέπουμε μια δραματική διαφορά στην ποσότητα της υπεριώδους ακτινοβολίας που είχε μπλοκαριστεί από τους πρώτους και από τους τελευταίους γαλαξίες στο δείγμα μας”, αναφέρει σε ανακοίνωσή της η Laura Pentericci, στο Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ρώμης. "Όταν το σύμπαν ήταν μόνο 780 εκατομμυρίων αυτό το ουδέτερο υδρογόνο ήταν αρκετά άφθονο, κάπου 10 έως 50 τοις εκατό του όγκου του σύμπαντος”.

Ωστόσο, μόνο 200 εκατομμύρια χρόνια αργότερα, η ποσότητα του ουδέτερου υδρογόνου έφθασε σε ένα πολύ χαμηλό επίπεδο λόγω ιονισμού, παρόμοιο με την ποσότητα που βλέπουμε σήμερα. Αυτό μας δείχνει ότι η φάση του απανα-ιονισμού πρέπει να έχει συμβεί πιο γρήγορα από ό,τι οι αστρονόμοι είχαν προηγουμένως εκτιμήσει, πρόσθεσε η Pentericci.