Οι αστρονόμοι διευκρινίζουν την προέλευση και εξέλιξη των στοιχείων

Από σελίδα του Physics World, Ιούλιος 2003

Η τυχαία ευθυγράμμιση ενός κβάζαρ και ενός απόμακρου γαλαξία βοήθησε τους αστρονόμους να διευκρινίσουν καλύτερα την προέλευση και την εξέλιξη των χημικών στοιχείων.

Οι κοσμολόγοι και οι κυνηγοί απολιθωμάτων, έχουν περισσότερα κοινά στοιχεία από όσο φαίνεται με μια πρώτη ματιά. Οι παλαιοντολόγοι αναλύουν τα απολιθώματα των τελευταίων 3,5 δισεκατομμυρίων χρόνων για να παρακολουθήσουν την εξέλιξη της ζωής στη Γη. Παρακινημένοι από μια παρόμοια περιέργεια, οι αστρονόμοι ψάχνουν για χημικά στοιχεία στα αστέρια και το κοσμικό αέριο για να καταλάβουν την προέλευση της χημείας του Σύμπαντος, και με ποιο τρόπο έχουν εξελιχτεί τα στοιχεία, μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Το βασικό θεωρητικό πλαίσιο της χημείας του σύμπαντος υπάρχει εδώ και μισό αιώνα. Τα ελαφρύτερα στοιχεία - όπως το υδρογόνα και το ήλιο, μαζί με πολύ μικρά ποσά δευτέριου και λίθιου - δημιουργήθηκαν μέσα σε μερικά λεπτά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Όλα τα άλλα στοιχεία φτιάχτηκαν σε πολύ πιο πρόσφατες εποχές από τη σύντηξη των πυρήνων του υδρογόνου και ηλίου στο εσωτερικό των αστεριών. Μερικά από αυτά τα στοιχεία διασκορπίστηκαν μέσα στο διάστημα χάρις στις βίαιες εκρήξεις των υπερκαινοφανών, με τις οποίες τελειώνουν τη ζωή τους μερικά αστέρια. Έπειτα αυτά συμπυκνώθηκαν στις επόμενες γενιές των άστρων, και στους πλανήτες που σχηματίστηκαν γύρω από τα νέα άστρα. Μερικά από αυτά τα στοιχεία ενσωματώθηκαν τελικά στις οργανικές δομές και έγιναν βασικά στοιχεία της ζωής πάνω στη Γη.

Αυτός ο κοσμικός κύκλος συνεχίζεται και σήμερα. Το νεφέλωμα του Ωρίωνα, που είναι ορατό στον καθένα μας στον χειμερινό ουρανό, είναι μια πολύ κοντινή μας ενεργή περιοχή στην οποία σχηματίζονται συνεχώς νέα άστρα.  Αλλά οι λεπτομέρειες του κοσμικού αυτού κύκλου δεν είναι ακόμα ξεκαθαρισμένες. Παραδείγματος χάριν, δεν ξέρουμε πότε παρήχθησαν  συνολικά τα περισσότερα από τα στοιχεία στο Σύμπαν, ή ποια αστέρια ήταν ικανά να παράγουν στοιχεία. Προκειμένου να διευκρινιστεί ο δρόμος της χημικής εξέλιξης η προσοχή μας θα πρέπει να δοθεί σε περιοχές πολύ πιο πέρα από το νεφέλωμα του Ωρίωνα.

Τυχερή ευθυγράμμιση

Αριστερά: Μια καλλιτεχνική απεικόνιση ενός κβάζαρ σε ένα αρχαίο γαλαξία. Με τη βοήθεια τέτοιων γαλαξιών, οι αστρονόμοι πρόσφατα ανακάλυψαν τα πιο παλιά χημικά στοιχεία στο σύμπαν.

Παραδοσιακά, οι αστρονόμοι έψαχναν για ενδείξεις σχετικά με την αστρική χημεία σε αστέρια διαφορετικών ηλικιών και σε διαφορετικές θέσεις μέσα στο Γαλαξία μας. Τα αστέρια στο φωτοστέφανο (άλως) του Γαλαξία σχηματίστηκαν πιθανώς πολύ παλιά. Εκείνα τα άστρα που είναι κοντά μας -στο δικό μας γαλαξία -  φέρουν στις ατμόσφαιρές τους, τη σφραγίδα της χημικής σύνθεσης του πρωτογαλαξία , όπως γίνεται αντίστοιχα με τα έμβια απολιθώματα μιας παλιάς εποχής στην ιστορία της Γης. Αλλά αυτό είναι μόνο μέρος της ιστορίας. Ο Γαλαξίας μας όμως, είναι ακριβώς ένας από τα δισεκατομμύρια γαλαξίες και ο αστρικός πληθυσμός του επομένως μας δίνει μόνο ένα περιορισμένο παράθυρο στη διαδικασία της γαλαξιακής χημικής εξέλιξης.

Χάρις στις πρόσφατες τεχνολογικές προόδους, οι αστρονόμοι έχουν αρχίσει τώρα να επεκτείνουν τις μελέτες για την αφθονία των χημικών στοιχείων πέρα από το Γαλαξία μας. Είμαστε τώρα ικανοί να δούμε γαλαξίες σχεδόν όλων των ηλικιών, από τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι σήμερα. Τα μεγάλα τηλεσκόπια, όπως το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στο Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρητήριο στη Χιλή και τα τηλεσκόπια Keck στη Χαβάη, είναι πολύ αποδοτικά στη συλλογή και την καταγραφή του φωτός, έτσι ώστε οι αστρονόμοι να είναι σε θέση να μελετήσουν τους γαλαξίες στην άκρη του αισθητού σύμπαντος.

Το φως που έρχεται σε αυτά τα τηλεσκόπια, άφησε κάποιους γαλαξίες όταν το Σύμπαν ήταν ηλικίας περίπου 1 ή 2 δισεκατομμυρίων ετών. Το ξέρουμε αυτό από την ερυθρή μετατόπιση - μια αύξηση στο μήκος κύματος του φωτός που βλέπουμε, η οποία οφείλεται στη διαστολή του σύμπαντος. Αυτοί οι γαλαξίες επομένως εμφανίζονται όχι όπως είναι σήμερα, αλλά όπως ακριβώς ήταν 12 δισεκατομμύρια χρόνια πριν - ακριβώς αυτό που ψάχνουν οι κυνηγοί των 'απολιθωμάτων' σε γαλαξιακό επίπεδο.

Μερικοί από τους γαλαξίες μπορούν να φανούν άμεσα, ενώ άλλοι είναι αισθητοί μόνο χάρις στη σκιά που δημιουργούν στο φως άλλων, μακρινότερων και φωτεινότερων αντικειμένων. Αυτές οι δύο τεχνικές για γαλαξίες υψηλών ερυθρών μετατοπίσεων είναι ιδιαίτερα συμπληρωματικές.

Όταν ένας γαλαξίας είναι αρκετά φωτεινός, έτσι ώστε το φως του να μπορεί να φανεί άμεσα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη φασματοσκοπία για να διακρίνουμε τη χημική σύνθεσή του και είμαστε σε θέση να το κάνουμε στους κοντινούς γαλαξίες που βρίσκονται γύρω από μας σήμερα. Εντούτοις, το φως από πιο μακρινούς γαλαξίες είναι γενικά πολύ εξασθενημένο για να αποκαλύψει  λεπτομερώς τη χημική σύνθεσή τους. Για αυτό χρειαζόμαστε να χρησιμοποιήσουμε την φασματοσκοπία υψηλής ευκρίνειας. Αλλά αυτό μπορεί να γίνει μόνο όταν έρχεται το φως από κάτι πολύ φωτεινότερο - όπως είναι ένα κβάζαρ πίσω από το γαλαξία που θέλουμε να μελετήσουμε. Κάτι τέτοιο μπορεί να συμβεί μόνον ευκαιριακά κατά την ευθυγράμμιση των δύο αντικειμένων όπως φαίνονται από τη Γη.

Μια τέτοια ευθυγράμμιση ανακαλύφθηκε πρόσφατα από μια ομάδα αστρονόμων στις ΗΠΑ, τον Jason Prochaska του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στη Santa Cruz, και τους Chris Howk και Artie Wolfe στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο, που έχουν ψάξει συστηματικά για τέτοια ζεύγη γαλαξιών και κβάζαρ με τα τηλεσκόπια Keck. Αυτό είναι το πρώτο ζευγάρι που έχουν βρει σε ένα σύνολο 100 υποψηφίων (Nature 423 57-59).

Το ζευγάρι αυτό αποτελείται από έναν κβάζαρ που ακτινοβολεί μέσω μιας πυκνής περιοχής ενός γαλαξία, που βρίσκεται σε πρώτο πλάνο, μπροστά από τον κβάζαρ, κάτι που σημαίνει ότι ο αριθμός των διαθέσιμων ατόμων για να απορροφήσουν το φως του κβάζαρ είναι ασυνήθιστα μεγάλος. Οι φασματικές υπογραφές λοιπόν του κβάζαρ εμφανίζονται σε ένα διαφορετικό μέρος του φάσματος (του μπροστινού σε μας) γαλαξία. Και αυτό οφείλεται στις διαφορετικές ερυθρές μετατοπίσεις τους. Οι φασματικές γραμμές του κβάζαρ είναι επίσης ευρύτερες από εκείνες του γαλαξία επειδή παράγονται από ένα αέριο πολύ θερμό, σε αντιδιαστολή με το ψυχρό γαλαξιακό, αέριο. Η ομάδα αυτή βρήκε ότι ο μπροστινός γαλαξίας βρίσκεται πολύ μπροστά χρονικά, στη χημική εξέλιξη των στοιχείων.

Αφθονία των στοιχείων

Η ερυθρή μετατόπιση του γαλαξία είναι 2,626 - που αντιστοιχεί σα να κοιτάζουμε πίσω στο χρόνο κατά 12 δισεκατομμύρια έτη. Άστρα στο Γαλαξία μας, που είναι αυτής της ηλικίας, περιέχουν μόνο μικρά ποσά χημικών στοιχείων, από το ένα δέκατο έως το ένα εκατοστό των ποσοτήτων στον ήλιο. Αυτό λαμβάνεται γενικά ως ένδειξη ότι μικρός σχηματισμός αστεριών πραγματοποιήθηκε στον πρωτο-γαλαξία μας.

Αλλά έχουμε τώρα ένα αρκετά διαφορετικό παράδειγμα ενός γαλαξία στον οποίο σχηματίστηκε ένας σημαντικός αριθμός αστεριών περίπου μέσα στα 2,5 πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της εξέλιξής του, κατά τη διάρκεια των οποίων η χημική σύνθεσή του έγινε παρόμοια με αυτήν του ήλιου. Και μάλιστα, η ποσότητα του οξυγόνου στα αστέρια αυτού του γαλαξία είχε ήδη αυξηθεί στο ένα τρίτο της ποσότητας που υπάρχει στον ήλιο μας.

Ο Γαλαξίας μας είναι ένας σπειροειδής γαλαξίας και οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι στις περισσότερες "σπείρες" του, ο σχηματισμός αστεριών έχει προχωρήσει με έναν σχετικά σταθερό ρυθμό σε ολόκληρη τη ζωή τους. Αλλά υπάρχουν άλλοι γαλαξίες κοντά μας που οι αστρονόμοι υποψιάζονται ότι έχουν ξοδέψει τις περισσότερες ποσότητές τους όταν ήταν νεαροί, σχηματίζοντας αστέρια με πολύ γρηγορότερους ρυθμούς. Αυτοί είναι οι ελλειπτικοί γαλαξίες, οι οποίοι έχουν μείνει με πολύ λίγο αέριο και περιέχουν κυρίως μια αστέρια που σχηματίστηκαν πολύ παλιά.

Οι Prochaska και οι συνάδελφοι του μπορούν λοιπόν να έχουν βρει τον πρόγονο ενός από τους σημερινούς ελλειπτικούς γαλαξίες, και να τον έχουν παρατηρήσει σε ένα αρχικό στάδιο της εξέλιξής του. Η σημασία μιας τέτοιας σύνδεσης μεταξύ του παρελθόντος και του παρόντος, και μεταξύ των διαφορετικών κλάσεων των γαλαξιών, είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί.

Αυτό μας λέει ότι οι γαλαξίες σχημάτισαν αστέρια με διαφορετικούς ρυθμούς και σε διαφορετικές εποχές. Μερικοί γαλαξίες σχημάτισαν τα άστρα αργά και με έναν ομαλό ρυθμό, ενώ άλλοι γεννήθηκαν σε μια σημαντική εποχή του σχηματισμού αστεριών, που έλαβε χώρα πολύ παλιά. Αυτό είναι κάτι που είχαμε υποψιαστεί από τον τρόπο που φαίνονται οι γαλαξίες σήμερα, αλλά ο Prochaska και οι συνάδελφοι του έχουν βρει ένα συγκεκριμένο παράδειγμα που επιβεβαιώνει μερικές από αυτές τις ιδέες.

Επιπλέον, ο σπάνιος συνδυασμός αερίου υψηλής πυκνότητας και αφθονίας στοιχείων σε αυτό το ιδιαίτερο ζεύγος κβάζαρ-γαλαξία παράγει ένα εξαιρετικά πλούσιο φάσμα. Κάνει έτσι προσιτές αρκετές ατομικές μεταβάσεις που κανονικά ήταν πολύ ασθενείς για να ανιχνευθούν. Η ομάδα του Prochaska έχει μετρήσει 25 χημικά στοιχεία σε αυτόν τον απόμακρο γαλαξία, που κυμαίνονται από τα σχετικά ελαφριά στοιχεία βόριο και άζωτο έως τα πραγματικά βαριά στοιχεία όπως είναι ο κασσίτερος και ο μόλυβδος.

Εξωγαλαξιακή θερμότητα

Πολλά από αυτά τα χημικά στοιχεία δεν είχαν φανεί ποτέ πριν έξω από το Γαλαξία μας. Επομένως παρέχουν μια πρωτοφανή ευκαιρία να μελετηθεί το σύνθετο υπόδειγμα της αφθονίας των στοιχείων σε έναν γαλαξία, που βρίσκεται σε μια πολύ διαφορετική θέση και χρονική στιγμή στο Σύμπαν.

Αυτό το υπόδειγμα είναι εκπληκτικά παρόμοιο με αυτό στον ήλιο. Κάτι τέτοιο είναι μια ισχυρή ένδειξη ότι οι ίδιες βασικές φυσικές διαδικασίες που συνθέτουν τα χημικά στοιχεία μέσα στα αστέρια εδώ και σήμερα,  λειτουργούσαν εκεί και τότε. Επίσης σημαίνει ότι κάποιος καθολικός νόμος - που είναι κατά προσέγγιση αμετάβλητος στο χρόνο και στο χώρο - πρέπει να καθορίζει τους σχετικούς αριθμούς των αστεριών με διαφορετικές μάζες που σχηματίζονται σε έναν γαλαξία. Τα αστέρια που έχουν διαφορετικές μάζες παράγουν διαφορετικά ποσά κάθε χημικού στοιχείου. Όμως το τελικό μίγμα φαίνεται να είναι περίπου το ίδιο. Αν και αστέρια διαφορετικών μαζών μπορούν να συνθέτουν διαφορετικά στοιχεία σε διαφορετικές αναλογίες, δεν φαίνεται κάτι τέτοιο να είναι το σύνηθες .

Η πρόκληση είναι τώρα να επεκταθεί αυτός ο τύπος μέτρησης στους γαλαξίες με ακόμη υψηλότερες ερυθρές μετατοπίσεις. Αυτό θα επιτρέψει στους αστρονόμους να ψάξουν για τα χημικά ίχνη που έμειναν από την πρώτη -πρώτη γενιά των αστεριών που σχηματίστηκαν στο σύμπαν - ίσως μόνο μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά από το Big Bang.

Αυτές οι ερυθρές μετατοπίσεις είναι τόσο μεγάλες που το μήκος κύματος της ακτινοβολίας του άστρου θα είναι μετατοπισμένο έξω από την ορατή περιοχή - όπως ο γαλαξίας που μελετάται από τους Prochaska και τους συνεργάτες - προς την υπέρυθρη περιοχή. Σύντομα θα κατασκευαστούν φασματογράφοι για τη μελέτη του φωτός στο κοντινό υπέρυθρο κατάλληλοι για τα περισσότερα μεγάλα τηλεσκόπια, και ο πρώτος από αυτούς θα μπει σε λειτουργία σε μερικά χρόνια.

Ο συγγραφέας του άρθρου είναι ο Max Pettini, του Ινστιτούτου για την αστρονομία στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, Μεγάλη Βρετανία.