Με ένα βαρυτικό φακό βρέθηκε το πρώτο φως των αστεριών

Από σελίδα της NASA, 8 Φεβρουαρίου 2002

Φανταστείτε να μπορούσε κάποιος να δει τον κόσμο μας πως ήταν πριν 14 δισεκατομμύρια έτη, όταν ήταν ακόμη ένα μωρό. Εάν είχαμε στη διάθεση μας μια χρονική μηχανή, θα μπορούσαμε να επιστρέψουμε στο παρελθόν και να προσέξουμε πώς ήταν τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του τότε νηπίου-σύμπαντος, που προέκυψαν μετά από το Big Bang.

Υπάρχουν πολλές ερωτήσεις για εκείνο τον αρχικό χρόνο: Ποιά ήρθαν πρώτα, τα αστέρια ή οι γαλαξίες; Τα αστέρια εμφανίστηκαν κάποτε ένα-ένα ή μέσα στις ογκώδεις αναταραχές με ταυτόχρονη δημιουργία;

Ανωτέρω:   Αυτή η φανταστική εικόνα από τον καλλιτέχνη Adolph Schaller απεικονίζει το σχηματισμό των πρώτων -πρώτων αστεριών στον κόσμο.

Οι βαθύτερες στον χρόνο και χώρο όψεις του σύμπαντος, από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, δίνουν ενδείξεις πως τα πρώτα -πρώτα αστέρια μπορεί να είχαν εκραγεί στο σύμπαν, τόσο έξοχα και θεαματικά όπως και τα πυροτεχνήματα στο τέλος των εκδηλώσεων.  Οι μελέτες των βαθύτερων όψεων των ουρανών από το Hubble, οδηγούν στο προκαταρκτικό συμπέρασμα ότι το σύμπαν δημιούργησε μια σημαντική μερίδα των αστεριών του, με μια χειμαρρώδη θύελλα γέννησης νέων αστεριών, η οποία φώτισε απότομα τους κατάμαυρους μέχρι τότε ουρανούς, ακριβώς μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια έτη μετά από τη "Μεγάλη Έκρηξη," την τεράστια έκρηξη που δημιούργησε τον κόσμο. Αν και τα αστέρια συνεχίζουν να γεννιούνται ακόμη και σήμερα στους γαλαξίες, το ποσοστό γέννησης των σημερινών αστεριών θα μπορούσε να είναι ένας μικρός αριθμός έναντι της προβλεφθείσης έκρηξης γεννήσεων αστεριών σε εκείνα τα πρώτα-πρώτα έτη του Σύμπαντος.

Οι επιστήμονες έχουν τις θεωρίες του, αλλά πόσο καταπληκτικό θα ήταν να ξανακοιτάξουν πίσω στον χρόνο και έτσι να σιγουρευτούν.

Είτε το πιστεύεται είτε όχι, οι χρονικές μηχανές υπάρχουν -- και καλούνται τηλεσκόπια. Οι αστρονόμοι που μέσω αυτών βλέπουν τα αστέρια και τους γαλαξίες όχι όπως είναι τώρα, αλλά όπως φαίνονταν κάποτε όταν το φως τους άρχισε το μακρινό ταξίδι του. Μέσω των τηλεσκοπίων, οι αστρονόμοι μπορούν "να ταξιδεψουν" δισεκατομμύρια έτη πίσω στο παρελθόν.

Ο αστρονόμος Richard Ellis του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Καλιφόρνιας χρησιμοποίησε πρόσφατα το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA για να ταξιδέψει προς τα πίσω, σχεδόν στον ίδιο χρόνο της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτός και οι συνάδελφοί του πήγαν σε αναζήτηση των νεογέννητων αστεριών -- τα πρώτα που είχαν εμφανιστεί στον κόσμο μας.

Ο Ellis εξηγεί: "Σε κάποιο σημείο, ένα δισεκατομμύριο έτη ή περίπου τόσο μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη,  η έλξη της βαρύτητας ανάγκασε το αέριο, που γέμιζε το Σύμπαν, να καταρρεύσει και να διαμορφώσει τα πρώτα αστέρια. Η έρευνα για τα σημάδια εκείνων των αστεριών, που καλούμε το Πρώτο Φως, είναι μια από τις πιό ενδιαφέρουσες προκλήσεις στη σύγχρονη αστρονομία."

Η αναζήτηση αποθαρρύνεται επειδή τέτοια αστέρια βρίσκονται περισσότερο από 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Και είναι πολύ εξασθενημένα. Ακόμη και τα ισχυρά όργανα, όπως του Hubble, έχουν πρόβλημα στην ανίχνευσή τους.

Έτσι, ο Ellis και οι συνάδελφοι του, έκαναν αυτό που πολλοί από μας κάνουν, όταν δοκιμάζουμε να δούμε κάτι μακρυνό: Χρησιμοποίησαν ένα μεγεθυντικό φακό. Έστρεψαν το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και, πιό πρόσφατα, το τηλεσκόπιο Keck στη Χαβάη πάνω σε έναν "βαρυτικό φακό" -- ένα γιγαντιαίο κοσμικό μεγεθυντικό φακό, που σχηματίσθηκε από μια ομάδα γαλαξιών 2 έως 3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

Αριστερά: Ο Ellis και οι υπόλοιποι ερευνητές κοίταξαν μέσω αυτού του ογκώδους σμήνους των γαλαξιών, που ονομάζεται Abell 2218, για να δουν τα αστέρια από το απόμακρο παρελθόν.

Κοιτάζοντας συνεχώς μέσω αυτού του ασυνήθιστου φακού, παρατήρησαν ένα εξασθενημένο νέφος από αστέρια 13.4 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Το νέφος, σαν ένας πολύ μικρός γαλαξίας, περιέχει περίπου ένα εκατομμύριο αστέρια. Για σύγκριση, οι χαρακτηριστικοί γαλαξίες στο Σύμπαν περιέχουν σήμερα εκατοντάδες δισεκατομμυρίων αστεριών. Ο Ellis και οι συνάδελφοί του πιστεύουν ότι αυτό που αποκαλούμε νέφος, είναι μια δομική μονάδα από γαλαξίες που γεμίζουν τώρα το Σύμπαν μας.

Εάν το Σύμπαν έχει ηλικία 14 δισεκατομμυρίων ετών, όπως μερικά μοντέλα ισχυρίζονται, τότε το νέφος με αστέρια υπήρξε λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο έτη μετά από το Big Bang -- τότε που οι θεωρητικοί νομίζουν ότι   πιθανώς διαμορφώθηκαν τα πρώτα αστέρια. Πράγματι, τα αστέρια στο νέφος εμφανίζονται να είναι πολύ νέα. Τα φασματικά στοιχεία προτείνουν ότι είναι κατά προσέγγιση 2 έως 5 εκατομμωρίων ετών, αν και ο Ellis προειδοποιεί ότι αυτά τα στοιχεία συζητούνται ακόμα μεταξύ των ερευνητών. Ο ήλιος, για σύγκριση είναι περίπου 4.8 δισεκατομμυρίων ετών.

"Βλέπουμε αυτό το σμήνος ενώ ανάβει," λέει ο Ellis. Τα αστέρια στο νέφος επρόκειτο ήταν μεταξύ των πρώτων , ίσως, που φώτισαν πάνω στους ουρανούς.

Δεξιά: Η περιοχή αυτή είναι μια λεπτομέρεια της πιό πάνω εικόνας του  Hubble. Περιβάλλονται οι εξασθενημένες, δίδυμες εικόνες του νέφους των αστεριών.

Χωρίς μια ώθηση από το βαρυτικό φακό, που μεγένθυνε τη λάμψη του φωτός, του νέφους των αστεριών, περίπου 30 φορές, ούτε το τηλεσκόπιο, των 10-μέτρων, Keck αλλά ούτε και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble θα είχε ανιχνεύσει αυτά τα απόμακρα, νέα αστέρια, σημειώνει ο Ellis.

Τέτοιοι ενισχυτικοί φακοί είναι μια από τις περίεργες πραγματικότητες της θεωρίας,   του Einstein, της Γενικής Σχετικότητας: Ο Einstein έδειξε ότι η μάζα δημιουργεί μια τοπική κυρτότητα στη γεωμετρία του χωρόχρονου που μπορεί να κάμψει την ακτίνα του φωτός.

Η ισχυρή κυρτότητα που προκλήθηκε από την ογκώδη ομάδα των γαλαξιών, που χρησιμοποιήθηκε από τον Ellis για αυτήν την έρευνα, ήταν σε θέση να κάμψει και να εστιάσει τις ακτίνες του φωτός από το νεαρό αστέρι που καλύπτεται από το νέφος, ακριβώς όπως κάνουν οι μεγενθυντικοί φακοί.

Περισσότεροι από 500 τέτοιοι βαρυτικοί φακοί έχουν προσδιοριστεί. Αλλά για να είναι χρήσιμος ο βαρυτικός φακός στην αναζήτηση του πρώτου φωτός, ένας φακός πρέπει να μελετηθεί λεπτομερώς έτσι ώστε οι επιστήμονες να ξέρουν ακριβώς πώς κάμπτει το φως. Αυτήν την περίοδο υπάρχουν περίπου 10 τέτοιοι καλά μελετημένοι βαρυτικοί φακοί.

Κατωτέρω:   Σε αυτό το παράδειγμα ενός βαρυτικού φακού, το φως από έναν απόμακρο γαλαξία σχηματίζει έναν φωτοστέφανο γύρω από το ογκώδες αντικείμενο που παίζει το ρόλο του βαρυτικού φακού.

"Ο καθένας θέλει να ξέρει, προερχόταν πραγματικά αυτό το φως από ένα από τα πρώτα αστέρια στο Σύμπαν ;", παρατήρησε ο Ellis. "Εάν ναί τότε θα πρέπει να υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός τους στον ουρανό."

Το διαστημικό τηλεσκόπιο επόμενης γενεάς της NASA ( NGST ), που σχεδιάζεται για έναρξη το 2009, θα αποκαλύψει την απάντηση. "Το NGST θα είναι σε θέση να ανιχνεύσει αυτά τα αντικείμενα χωρίς καμμιά βοήθεια από τους βαρυτικούς φακούς," λέει ο Ellis. "Δεν υπάρχει αμφιβολία. Τότε θα είμαστε σε θέση να τα μετρήσουμε και να τα υπολογίσουμε πόσο παλαιά είναι."

Εν τω μεταξύ, οι αστρονόμοι θα συνεχίσουν μέσω των βαρυτικών φακών, ελπίζοντας να πιάσουν μια αναλαμπή από αυτό που προέκυψε μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αξίζει ένα βλέμμα. Τελικά, οι παράξενοι γαλαξίες και τα στασιαστικά αστέρια θα μπορούσαν να είναι ακριβώς η αρχή... αυτού που βρίσκεται στο παρελθόν.

Σημείωση Συντάκτη: Στην αρχή του άρθρου ρωτήσαμε ποιά ήρθαν πρώτα, τα αστέρια ή οι γαλαξίες; Μερικοί αναγνώστες μπορούν να αναρωτηθούν πώς οι γαλαξίες, που αποτελούνται από αστέρια, θα μπορούσαν ενδεχομένως να προηγηθούν των αστεριών των ίδιων. Ηχεί σαν παράδοξο, αλλά δεν είναι. Οι πρώτοι γαλαξίες μπορεί να έχουν διαμορφωθεί σαν μεγάλες δίνες του αερίου από τις οποίες συμπυκνώθηκαν τα αστέρια. Ή ίσως τα αστέρια να σχηματίστηκαν πρώτα, και που συσσωρεύτηκαν αργότερα ως γαλαξίες. Είναι μια σημαντική ερώτηση για τους αστρονόμους που μελετούν την εξέλιξη του κόσμου μας.