Μεγάλοι διαγαλαξιακοί ιστοί αράχνης

Από σελίδα της NASA, 19 Απριλίου 2002

Αστρονόμοι που χρησιμοποιούν το διαστημικό σκάφος FUSE της NASA έχουν επισημάνει απέραντα νέφη μεταξύ των γαλαξιών που μπορεί να διαπερνούσαν το νεαρό Σύμπαν, όπως ένας πεπλεγμένος ιστός μιας αράχνης.

Είναι αλήθεια ότι έχουν γραφτεί πολλά για τα πρώτα τρία λεπτά μετά από τη γέννηση του σύμπαντος στη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά τι ξέρουν οι αστρονόμοι για τα επόμενα δισεκατομμύριά έτη της παιδικής ηλικίας του κόσμου μας;

Οι αστρονόμοι συμφωνούν ότι η ύλη συσσωρεύτηκε κατά κάποιον τρόπο κατά τη διάρκεια εκείνης της εποχής για να σχηματιστούν τα αστέρια και οι γαλαξίες -- αλλά είναι άγνωστο με ποιό τρόπο. Τα αστέρια εμφανίστηκαν πρώτα, ή οι γαλαξίες; Και τι απέμεινε πίσω στο κενό, αφότου σχηματίσθηκαν: κενός χώρος ή απέραντα νέφη από αόρατο αέριο;

Ανωτέρω: Σχεδόν όλα όσα απεικονίζονται σε αυτήν την εικόνα "deep field" του Hubble, είναι νέοι απόμακροι γαλαξίες.

Πώς όμως ξεκίνησε ο κόσμος μας -- και πώς θα τελειώσει -- εξαρτάται από τις απαντήσεις.
Για να ερευνήσουν τέτοιες ερωτήσεις, οι αστρονόμοι έβαλαν σε τροχιά το τηλεσκόπιο "FUSE" (Far-Ultraviolet Spectroscopic Explorer) της NASA προς ένα απόμακρο κβάζαρ -- ένα λαμπρό, ενεργό πυρήνα ενός γαλαξία περίπου 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, κοντά στην άκρη του γνωστού κόσμου. Για 20 ημέρες τον Αύγουστο και τον Οκτώβριο, του 2000, το FUSE συνέλεξε το φως του κβάζαρ στην άκρα υπεριώδη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (περίπου 5 φορές πιό ενεργητική από τις UV υπεριώδεις ακτίνες του ήλιου). Άλλοι ερευνητές χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και το γιγαντιαίο επίγειο τηλεσκόπιο Keck στη Χαβάη παρακολουθούσαν το κβάζαρ στη συνηθισμένη υπεριώδη ακτινοβολία και στην ορατή περιοχή.

Κατόπιν ήρθαν οι αναλύσεις των μετρήσεων-- και άρχισαν οι ανακαλύψεις.

Στην πραγματικότητα οι αστρονόμοι δεν ενδιαφέρθηκαν για το ίδιο το κβάζαρ (που είναι γνωστό μόνο με τον προσδιορισμό HE2347-4342). Προσπαθούσαν να δουν οτιδήποτε βρίσκεται μεταξύ της γης και του κβάζαρ -- και σε αυτήν την περίπτωση, σπάνια νέφη του αερίου ηλίου στο διαγαλαξιακό διάστημα.

Το ήλιο δεν είναι το αφθονότερο στοιχείο στον κόσμο -- όμως το υδρογόνο είναι. Αλλά κατά τη διάρκεια εκείνων των πρώτων-πρώτων δισεκατομμυρίων ετών μετά από το Big Bang, ένα μεγάλο μέρος του υδρογόνου μεταξύ των γαλαξιών ήταν σε τμήματα. Σε εκείνες τις ημέρες, τα κβάζαρ που ακτινοβολούσαν τόσο πολλή ενέργεια ανά δευτερόλεπτο, όπως χιλιάδες κανονικοί γαλαξίες, ήταν άφθονοι. Η ακτινοβολία όμως των κβάζαρ διέσπασε τα άτομα του υδρογόνου σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τέτοια "ελεύθερα" υποατομικά σωματίδια είναι ουσιαστικά διαφανή. Έτσι είναι δύσκολο να ανιχνευθούν.

Τα κβάζαρ όπως αυτό που απεικονίζεται εδώ έλουσαν το νέο Κόσμο με την ακτινοβολία ιονισμού.

Το ήλιο, εντούτοις, δεν είναι τόσο φευγαλέο. Έχει δύο ηλεκτρόνια που είναι δύσκολο να φύγουν από το άτομο. Ακόμη καθώς η ακτινοβολία από τα κβάζαρ ιόνιζε τα άτομα του υδρογόνου, αρκετά άτομα ηλίου θα είχαν παραμείνει λίγο πολύ άθικτα. (Το άτομο ηλίου μπορεί να χάσει εύκολα ένα ηλεκτρόνιο, αλλά σπάνια δύο). Σύμφωνα με τον Philippe Crane, ένα ειδικό επιστήμονας στην έδρα της NASA, αυτό το ήλιο συναρπάζει τους κοσμολόγους: είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για τον αρχικό κόσμο.

Το αέριο ηλίου μεταξύ μας και του κβάζαρ HE2347-4342 αποκάλυψε την παρουσία του στο FUSE με το να απορροφήσει  συγκεκριμένα "χρώματα" ή μήκη κύματος του φωτός του κβάζαρ στην άκρα-υπεριώδη περιοχή του φάσματος. Εν τω μεταξύ, οι παρατηρητές με τα Hubble και Keck, που εργάζονται στα πιό μακρά μήκη κύματος, βρήκαν υδρογόνο σε πολλά από τα ίδια νέφη. (Ο συνδυασμός του υδρογόνου και του ηλίου μπορεί να πει στους ερευνητές πολύ περισσότερα για την κατάσταση ενός νέφους, από το καθένα μόνο του.)

Οι κοσμολόγοι έχουν από μακρού σκεφθεί ότι το αέριο στο αρχικό σύμπαν συμπυκνώνεται σε δομές σαν τους ιστούς της αράχνης, που εισχωρούν στο διαγαλαξιακό διάστημα. Οι μικροσκοπικές κυματώσεις σε εκείνη την κατανομή τής ύλης έγιναν τα αστέρια και οι γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα. Τα νέφη που ανιχνεύονται από τα FUSE, Keck και Hubble είναι δείγματα εκείνων των αδύναμων διαγαλαξιακών δομών, λέει ο Crane.

Δεξιά: Αυτό το μοντέλο με τη βοήθεια των υπολογιστών σε ψευδοχρώμα του αρχικού σύμπαντος, είναι 30 εκατομμύρια έτη φωτός η κάθε του πλευρά. Οι πράσινοι-σκιασμένοι ιστοί της αράχνης είναι ασθενή νέφη του διαγαλαξιακού αερίου.

Το κοίταγμα μακριά στο διάστημα είναι ισοδύναμο με να ξανακοιτάζει κάποιος πίσω στον χρόνο. Έτσι, όταν είδαν οι αστρονόμοι τα νέφη κοντά στο κβάζαρ HΕ2347-4342, τα έβλεπαν όπως εμφανίστηκαν περίπου 10 δισεκατομμύρια έτη πριν -- εντυπωσιακά παλαιά, δεδομένου ότι το σύμπαν είναι πιθανά 14 ή 15 δισεκατομμυρίων ετών. Στην ουσία, αυτό που οι αστρονόμοι υπολόγισαν ήταν πόσο μεταινήθηκαν οι φασματικές γραμμές (σε συγκεκριμένα μήκη κύματος ή χρώματα) προς το ερυθρό (προς τα πιό μακρά μήκη κύματος), από τις κανονικές θέσεις τους λόγω διαστολής του σύμπαντος.

Κατά συνέπεια, με τη μελέτη διαφορετικών, μετατοπισμένων προς το ερυθρό, μηκών κύματος του φάσματος του κβάζαρ, οι ερευνητέςς ήταν σε θέση να ιχνηλατήσουν μέσω του χρόνου, πώς ο ιονισμός των διαγαλαξιακών "ιστών αράχνης" πάγωσε και εξασθένισε καθώς το σύμπαν διαστελλόταν και εξελισσόταν.

Τα άτομα του ηλίου, που επισημαίνονται στους ιστούς αράχνης από το FUSE, σφυρηλατήθηκαν κατά τη διάρκεια των πρώτων-πρώτων λεπτών του ιδίου του Big Bang. Αρχικά οι πυρήνες στο ήλιο ήταν γυμνοί. Αλλά έπειτα, καθώς ο κόσμος επεκτάθηκε, οι πυρήνες συνέλαβαν ηλεκτρόνια και έγιναν ουδέτερα άτομα ηλίου. Αυτά τα αεριώδη άτομα δημιούργησαν μια σχεδόν-αδιαφανή ομίχλη που εξασθένισε το φως από τα απόμακρα κβάζαρ.

Κάποια χρονική στιγμή αργότερα χείμαρροι ακτινοβολίας που χύνονταν στο διάστημα, πιθανώς από τα κβάζαρ που θέρμαναν εκ νέου και ιόνισαν πάλι μερικά άτομα από το αέριο ηλίου. Επειδή τα ιόντα του ηλίου απορροφούν λιγότερα φωτόνια του φωτός, το αέριο έγινε διαφανές πάλι, επιτρέποντας ακόμα μια φορά στο φως από τα απόμακρα κβάζαρ να λάμψουν  γύρω τους-- κατά κάποιο τρόπο όπως η ακτινοβολία που βγαίνει από τον ήλιο μέσα από την πρωϊνή ομίχλη.

Με τη σύγκριση των παρατηρήσεων του FUSE του ηλίου με τις παρατηρήσεις των Keck και Hubble του υδρογόνου, οι αστρονόμοι συνειδητοποίησαν ότι οι διαφανείς περίοδοι -- δηλαδή οι καιροί που ήταν ιονισμένο ουσιαστικά το ήλιο -- προκλήθηκε από την ακτινοβολία και από τα λαμπρά κβάζαρ αλλά και από ένα πυροτέχνημα γέννησης αστεριών στους πιό συνηθισμένους γαλαξίες. Πριν, ο κυριότερος υποψήφιος για την διαφάνεια ήταν μόνο τα κβάζαρ.

Αυτά τα νέα αποτελέσματα λένε στους επιστήμονες πολλά για το περιβάλλον της ακτινοβολίας εκείνης της πρόωρης εποχής. Πράγματι, λέει ο Crane, τα δεδομένα του FUSE ότι " η πίεση της ακτινοβολίας ήταν τόσο σημαντική όσο και η βαρύτητα στο να αναγκάσει την ύλη να συμπυκνωθεί σε αστέρια και σε γαλαξίες".

Ίσως, εν τούτοις, το μεγαλύτερο εύρημα είναι αυτό που τα Hubble και Keck δεν είδαν. Μερικά νέφη που αποκαλύφθηκαν στο FUSE με τη βοήθεια του ηλίου στο εσωτερικό τους ήταν αόρατα στα Hubble και Keck -- τα τηλεσκόπια τους μπορούσαν να δουν  μόνο το υδρογόνο. Το υδρογόνο είναι σίγουρα εκεί, σημειώνει ο Crane, αλλά αυτό κρύβεται: τα άτομα είναι διαφανή επειδή έχουν ιονιστεί από την ενεργητική ακτινοβολία.