Οι μυστικές ζωές των γαλαξιών αποκαλύπτονται από τα διαστημικά τηλεσκόπια

Από σελίδα του Chandra, Αύγουστος 2003

Δύο από τα μεγάλα παρατηρητήρια της NASA, το Hubble και το Chandra, που υποστηρίζονται από τα μεγαλύτερα επίγεια τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο, αρχίζουν να βρίσκουν νέες ενδείξεις για την προέλευση και την εξέλιξη των μεγαλύτερων δομικών ομάδων του Σύμπαντος, τους γαλαξίες.

Τα σπουδαία ευρήματα της μεγαλύτερης έρευνας που έχει γίνει ποτέ για την προέλευση του κόσμου και την εξέλιξη των γαλαξιών περιλαμβάνουν σπάνιες εικόνες του Σύμπαντος στην παιδική του ηλικία ανήκουν.  Στις ανακαλύψεις των επιστημόνων συγκαταλέγονται και επτά μυστηριώδη αντικείμενα που ίσως είναι οι πιο απομακρυσμένες μαύρες τρύπες που έχουν εντοπιστεί ποτέ.

Η διεθνής συνεργασία, γνωστή ως GOODS (από τα αρχικά των λέξεων Έρευνα σε Βάθος των Μεγάλων Παρατηρητηρίων για την Προέλευση), συνδυάζει τις μεγάλες εξέδρες παρατήρησης της ΝΑΣΑ στο Διάστημα με τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια στη Γη. Το πρόγραμμα έχει ξεκινήσει πριν από πολλά χρόνια, απασχολεί 100 επιστήμονες και είναι το θέμα 15 επιστημονικών εργασιών μέχρι σήμερα.

Ο συνδυασμός αυτών των προηγμένων επιστημονικών οργάνων δίνει στους αστρονόμους τη δυνατότητα να εξετάσουν το ίδιο κομμάτι του ουρανού σε διαφορετικά μήκη κύματος ανακαλύπτοντας διάφορα χαρακτηριστικά των γαλαξιών με μεγάλη λεπτομέρεια και σε πιο μακρινές αποστάσεις από ό,τι είχαν δει μέχρι τώρα.

"Οι συνδυασμένες δυνατότητές τους είναι απίστευτες. Τώρα μπορούμε να δούμε πώς δημιουργούν τους εαυτούς τους οι γαλαξίες και οι μαύρες τρύπες», λέει ο Mario Livio από το Επιστημονικό Ινστιτούτο Διαστημικού Τηλεσκοπίου (STScI) στη Βαλτιμόρη.

"Για πρώτη φορά βλέπουμε τμήματα της κοσμικής ιστορίας, για το πώς δηλαδή οι γαλαξίες δημιούργησαν τους εαυτούς τους στις πρώτες εποχές της ζωής του Σύμπαντος", λέει ο Mauro Giavalisco, επικεφαλής του τμήματος για αυτή την έρευνα με το τηλεσκόπιο του Hubble, και ερευνητικού αστρονόμου στο STScI. "Τώρα προσπαθούμε να δούμε ακόμα πιο πίσω, τη νηπιακή τους ηλικία, αλλά δεν τα έχουμε καταφέρει ακόμα".

Οι δύο κύριες εικόνες της έρευνας - του Βόρειου και του Νότιου τμήματος του ουρανού - δείχνουν συνολικά γύρω στους 50.000 γαλαξίες σε διάφορες αποστάσεις, όλων των ηλικιών και ποικίλων σταδίων ανάπτυξης.

Όταν δεν είχε περάσει ακόμη ούτε ένα δισεκατομμύριο χρόνια από το Big Bang, που δημιούργησε το Σύμπαν, το διάστημα ήταν ένα βίαιο μέρος όπου ο ρυθμός των γεννήσεων των άστρων ήταν πολύ μεγάλος. Τα μικρά άστρα όμως, ήταν συγκεντρωμένα σε πολύ μικρούς γαλαξίες τόσο μικρούς και αδύναμους που δύσκολα μπορούσαν να γλιτώσουν από τα γνωστά τέρατα τα οποία κρύβονται στο εσωτερικό τους - τις μαύρες τρύπες.

Πέντε δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, οι γαλαξίες έχουν μεγαλώσει αρκετά λόγω των συγκρούσεων ή και των μεταξύ συγχωνεύσεων τους. Τώρα μπορούν εύκολα να θρέψουν έναν εντυπωσιακό πληθυσμό λαίμαργων μελανών οπών εξαιρετικά μεγάλου όγκου.

Αλλά σε ένα ακόμα δισεκατομμύριο χρόνια, ο ρυθμός των γεννήσεων των αστέρων θα μειωθεί δραματικά στο ένα δέκατο του ρυθμού της παλιότερης έκρηξης. Η εποχή της γιγαντιαίας δημιουργίας του Σύμπαντος έχει περάσει και το Σύμπαν έχει μόλις τα μισά του χρόνια από ό,τι σήμερα, που είναι 13,7 δισ. χρόνων.

Οι έρευνες του Hubble

Μέχρι τώρα, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble ένωνε τις δυνάμεις του με το παρατηρητήριο των ακτίνων X Chandra για να ερευνήσει μια σχετικά ευρεία περιοχή του ουρανού, που περιλαμβάνει δεκάδες χιλιάδων γαλαξιών. Αυτή η έρευνα, που γίνεται για πρώτη φορά, θα ενωθεί σύντομα με ένα άλλο διαστημικό τηλεσκόπιο  της NASA που κάνει χρήση υπέρυθρων ακτίνων, το SIRTF, και το οποίο πρόκειται να εκτοξευτεί τον Αύγουστο του 2003.

Με την έρευνα αυτή GOODS, μελετούν το σχηματισμό και την εξέλιξη των γαλαξιών σε μια μεγάλη γκάμα αποστάσεων και ηλικιών. Το πρόγραμμα ανιχνεύει την ιστορία συγκέντρωσης και συνάθροισης των γαλαξιών, την εξέλιξη των αστρικών πληθυσμών τους και την πηγή της ενέργειας από το σχηματισμό των άστρων και τους ενεργούς πυρήνες που τροφοδοτούνται από τις τεράστιες μαύρες τρύπες.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble αποθανάτισε περίπου 25.000 γαλαξίες σε μια μικρή περιοχή του ουρανού στο Νότιο Ημισφαίριο, προς τη μεριά του αστερισμού Φόρμαξ. Σε αυτή την περιοχή ο Hubble παρατήρησε σπάνιες εικόνες νεοσχηματισθέντων γαλαξιών.

Στα προκαταρκτικά αποτελέσματα που δημοσιεύτηκαν στο Αστροφυσικό Περιοδικό (Astrophysical Journal), οι αστρονόμοι του Hubble αναφέρουν ότι τα μεγέθη των γαλαξιών αυξάνουν συνεχώς από τότε που ο Κόσμος ήταν περίπου ενός δισεκατομμυρίου ετών μέχρι την ηλικία των 6 δισεκατομμυρίων ετών. (Αυτή είναι περίπου η μισή τρέχουσα ηλικία του Σύμπαντος, 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια.)

Οι αστρονόμοι του προγράμματος GOODS επίσης βρήκαν ότι ο ρυθμός γέννησης των άστρων αυξήθηκε όχι έντονα (περίπου κατά έναν παράγοντα 3) μεταξύ της εποχής που το Σύμπαν ήταν περίπου ενός δισεκατομμυρίου ετών και 1.5 δισεκατομμυρίων ετών και παρέμεινε υψηλός μέχρι περίπου πριν 7 δισεκατομμύρια έτη, όταν γρήγορα έπεσε στο ένα δέκατο του αρχικού μεγάλου ρυθμού παραγωγής των άστρων. Αυτό είναι ακόμη μια απόδειξη ότι η κατασκευή σημαντικών μεγάλων γαλαξιών έγινε όταν το Σύμπαν είχε τη μισή από τη σημερινή ηλικία του.

Αυτή η αύξηση στο μέγεθος των γαλαξιών είναι συνεπής με τα  μοντέλα "από κάτω προς τα πάνω", όπου οι γαλαξίες αυξάνονται ιεραρχικά, μέσω συγχωνεύσεων και της προσαύξησης τους με μικρότερους δορυφορικούς γαλαξίες.

Αυτό το μοντέλο είναι επίσης συνεπές προς την ιδέα ότι τα μεγέθη των γαλαξιών ταιριάζουν σε ένα ορισμένο βαθμό των μεγεθών των φωτοστεφάνων (άλως) της σκοτεινής ύλης τους. Η σκοτεινή ύλη είναι μια αόρατη και αόριστη μορφή μάζας, που περιλαμβάνει το περισσότερο μέρος της ύλης στο Σύμπαν. Η θεωρία εξηγεί ότι η σκοτεινή ύλη συσσωρεύτηκε ουσιαστικά σε βαρυτικές "λακκούβες" στον αρχικό Κόσμο και που μετά συνέλεξε αέριο από συνηθισμένη ύλη. Αυτό δε το αέριο δημιούργησε ακολούθως τα σμήνη των άστρων και τους μικρούς γαλαξίες. Αυτοί οι νάνοι γαλαξίες συγχωνεύτηκαν κομμάτι-κομμάτι κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών για να φτιάξουν τους απέραντους σπειροειδείς και ελλειπτικούς γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα.

Το Chandra

"Οι παρατηρήσεις του Chandra έγιναν σε μια περιοχή "υψηλής ενέργειας" του αρχικού Σύμπαντος, που επέτρεψε στους επιστήμονες να μελετήσουν την ιστορία των μαύρων οπών σε ολόκληρη σχεδόν τη ζωή του Σύμπαντος", εξηγεί ο Niel Brandt του Πολιτειακού Πανεπιστημίου Penn, κι ένας από τους ερευνητές στην ομάδα GOODS του Chandra, η οποία μελέτησε τα αποτελέσματα με τη βοήθεια των ακτίνων X .

Ένα από τα συναρπαστικά συμπεράσματα από αυτές τις παρατηρήσεις στις πιο μακρινές περιοχές που  έχουν γίνει ποτέ με τις ακτίνες X, είναι η ανακάλυψη επτά μυστήριων μαύρων οπών, οι οποίες δεν παρατηρήθηκαν στο οπτικό φάσμα.

"Βρήκαμε επτά μυστήριες πηγές που είναι εντελώς αόρατες στα οπτικά μήκη κύματος από τον Hubble", λέει ο Anton Koekemoer του STScI, ένας ερευνητής του GOODS και στις δύο ομάδες του Hubble και του Chandra, ο οποίος σύγκρινε τα αποτελέσματα στις ακτίνες X και στο ορατό φάσμα.

Οι αστρονόμοι κάνουν δύο υποθέσεις για τα αντικείμενα αυτά: "Είτε είναι οι πιο απομακρυσμένες μαύρες τρύπες που έχουμε βρει ποτέ, ή βρίσκονται πιο κοντά αλλά περιβάλλονται από το πυκνότερο στρώμα σκόνης που έχουμε δει ποτέ, που και αυτό είναι επίσης ένα άλλο εκπληκτικό αποτέλεσμα", εξηγεί ο Niel Brandt, υπεύθυνος για τις ακτίνες X της έρευνας. "Ό,τι κι αν είναι πάντως, πρόκειται για πολύ ακραίες καταστάσεις".

Πριν από δύο μόλις δεκαετίες, οι επιστήμονες απλά υπέθεταν την ύπαρξη των μελανών οπών. Τώρα, όχι μόνο την έχουν επιβεβαιώσει, αλλά συγκεντρώνουν ολοένα και περισσότερες πληροφορίες για τις διάφορες παραλλαγές τους και το ρόλο τους ως κεντρικές μηχανές των γαλαξιών.

Το Chandra ανακάλυψε 1.500 ενεργές, που απορροφούν γειτονιά άστρα, υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε ένα κομμάτι του ουρανού μικρότερο από την διάμετρο της πανσελήνου, όπως φαίνεται από τη Γη. Συγκρίνοντάς το με ολόκληρο το Σύμπαν, οι επιστήμονες υπολογίζουν πως υπάρχουν 300 εκατομμύρια ενεργές μαύρες τρύπες ­ και πιθανώς κι άλλες που παραμένουν αδρανείς.

"Στις αρχές όμως του Σύμπαντος, ήταν σπανιότερες από ό,τι νομίζαμε", επισημαίνει ο Brandt.

Κατά τη σύγκριση των αποτελεσμάτων του ίδιου πεδίου από το Hubble και το Chandra, οι αστρονόμοι βρήκαν επίσης ότι οι ενεργές μαύρες τρύπες στους απόμακρους, σχετικά μικρούς γαλαξίες ήταν σπανιότερες από ότι αναμενόταν. Αυτό μπορεί να οφείλεται και στις επιδράσεις των πρώτων γενεών των μεγάλων αστεριών που εξερράγησαν ως υπερκαινοφανείς, απορροφώντας γαλαξιακό αέριο και μειώνοντας έτσι τον ανεφοδιασμό των πολύ μεγάλων μαύρων οπών με αέριο.

Οι νέες εικόνες του Chandra καταφέρνουν να φτάσουν στο μεγαλύτερο γνωστό βάθος του Διαστήματος με ακτίνες X. Το παρατηρητήριο εστιάζει στις ακτινοβολίες υψηλής συχνότητας και ενέργειας που πετάγονται από τις μαύρες τρύπες καθώς καταβροχθίζουν γειτονικά τους αστέρια και καταναλώνουν τα αέρια που υπάρχουν γύρω τους. Με μάζα εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές πυκνότερη από του Ήλιου, οι μαύρες τρύπες δεν αφήνουν να τις διαπεράσει ούτε ίχνος ακτίνας φωτός.

Το τηλεσκόπιο Hubble, που είχε ενθουσιάσει τους αστρονόμους το 1995 με εντυπωσιακές φωτογραφίες που προέρχονταν από τα βάθη του χρόνου, απέκτησε μια νέα κάμερα με εμβέλεια που είναι 60 φορές μεγαλύτερη. Έτσι, οι επιστήμονες μπόρεσαν να σιγουρευτούν ότι οι μαύρες τρύπες υπήρχαν και τότε. Οι τελευταίες παρατηρήσεις δείχνουν όχι μόνο ότι οι γαλαξίες μεγάλωσαν με κανιβαλισμό και συγχωνεύσεις, αλλά και ότι μπορούν να αλλάξουν μορφή και περιεχόμενο.

Αυτά τα και άλλα αποτελέσματα από το πρόγραμμα GOODS δημοσιεύτηκα ήδη σε ένα ειδικό τεύχος στο περιοδικό Astrophysical Journal Letters, που ήταν αφιερωμένο εξ ολοκλήρου στα αποτελέσματα της ομάδας αυτής.

Η ομάδα του Chandra καθοδηγήθηκε από τους Koekemoer και το Stefano Cristiani του Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Τεργέστης και του Hubble από τους Giavalisco, Mark Dickinson, και Harry Ferguson του STScI.