Βρέθηκε το κοσμικό χρώμα του νεαρού σύμπαντος: Μπλε

Από την σελίδα του RedNova, 23 Δεκεμβρίου 2003

Μια διεθνής ομάδα αστρονόμων καθόρισε το χρώμα του Σύμπαντος όταν ήταν πολύ νεαρό. Ενώ το σύμπαν τώρα έχει μια απόχρωση του μπεζ, στο πολύ απόμακρο παρελθόν, όταν ήταν περίπου 2, 5 δισεκατομμυρίων ετών, ήταν πολύ πιο μπλε. Η έρευνα περιγράφεται στο πρόσφατο τεύχος του περιοδικού Astrophysical Journal.

Ένα σύνολο εικόνων σε τρία χρώματα των πραγματικά φωτεινών γαλαξιών στην περιοχή Hubble Deep Field South. Στο κάτω μέρος το χρώμα του σύμπαντος ανάλογα με την ηλικία του (αυξάνει από αριστερά προς τα δεξιά) (HST/ESO).

Αυτό το συμπέρασμα είναι η έκβαση μιας εκτενούς και λεπτομερούς ανάλυσης περισσότερων από 300 γαλαξιών, που φαίνονται μέσα σε μια μικρή περιοχή του Νότιου ουρανού, που ονομάζεται Βαθύ Πεδίο Hubble του Νότιου Ημισφαιρίου. Ο βασικός στόχος αυτής της μελέτης ήταν να γίνει κατανοητό με ποιό τρόπο συγκεντρώθηκε το αστρικό περιεχόμενο του σύμπαντος και πως άλλαξε κατά τη διάρκεια του χρόνου.

Ο Ολλανδός αστρονόμος Marijn Franx, ένα μέλος της ομάδας από το Παρατηρητήριο του Leiden, εξηγεί πως το μπλε χρώμα του αρχικού σύμπαντος προκαλείται κυρίως από το μπλε φως των νέων άστρων που υπήρχαν τότε άφθονα στους γαλαξίες. Το πιο κόκκινο χρώμα του σημερινού σύμπαντος προκαλείται από τον σχετικά μεγαλύτερο αριθμό παλαιότερων, άρα και πιο κόκκινων αστεριών.

Ο επικεφαλής της ομάδας, Gregory Rudnick από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής Max Planck στην πόλη Garching της Γερμανίας,  προσθέτει: "Επειδή το συνολικό ποσό του φωτός στον Κόσμο, κατά το παρελθόν, ήταν σχεδόν ίδιο όπως και σήμερα και ένα νεαρό μπλε αστέρι εκπέμπει πολύ περισσότερο φως από ό,τι ένα παλαιό κόκκινο άστρο, πρέπει να υπήρχαν  τότε πολύ λιγότερα αστέρια στο νεαρό Σύμπαν από όσα υπάρχουν τώρα. Τα νέα συμπεράσματά μας υπονοούν ότι η πλειοψηφία των αστεριών στο Σύμπαν σχηματίστηκαν συγκριτικά αργά, όχι πολύ νωρίτερα από τότε που γεννήθηκε ο ήλιός μας, αλλά σε μια εποχή που το Σύμπαν ήταν περίπου 7 δισεκατομμυρίων ετών". 

Αυτά τα νέα αποτελέσματα είναι βασισμένα στα στοιχεία που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια  παρατηρήσεων πάνω από 100 ώρες, με το πολυ-όργανο ISAAC στο Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο της ESO (VLT), ως ένα τμήμα ενός σημαντικού ερευνητικού προγράμματος, Faint InfraRed Extragalactic Survey (FIRES). Οι αποστάσεις στους γαλαξίες υπολογίστηκαν από τη φωτεινότητά τους στην οπτική και στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη του φάσματος.

Παρατήρηση του αρχικού σύμπαντος

Είναι καλά γνωστό ότι ο ήλιος μας διαμορφώθηκε κάπου 4,5 δισεκατομμύρια έτη πριν. Αλλά πότε όμως σχηματίστηκαν τα περισσότερα από τα άλλα αστέρια στον Γαλαξία μας; Και πότε τα αστέρια στους άλλους γαλαξίες;

Αυτές είναι μερικές από τις βασικές ερωτήσεις στη σημερινή αστρονομία, αλλά αυτές μπορούν να απαντηθούν μόνο με τη βοήθεια των παρατηρήσεων με τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια του κόσμου.

Ένας τρόπος για να εξεταστούν αυτά τα ζητήματα είναι να παρατηρηθεί το πολύ νεαρό Σύμπαν άμεσα - αν κοιτάξουμε πίσω στον χρόνο. Για αυτό, οι αστρονόμοι εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι το φως που εκπέμπεται από τους πολύ απόμακρους γαλαξίες ταξιδεύει για πολύ χρόνο πριν φθάσει σε μας. Κατά συνέπεια, όταν κοιτάζουν οι αστρονόμοι σε τέτοια απομακρυσμένα αντικείμενα, τα βλέπουν όπως ήταν πολύ χρόνο πριν.

Αυτοί οι απομακρυσμένοι γαλαξίες είναι όμως εξαιρετικά εξασθενημένοι, έτσι αυτές οι παρατηρήσεις είναι τεχνικά δύσκολες. Μια άλλη δυσκολία είναι ότι, λόγω της διαστολής του Κόσμου, το φως από εκείνους τους γαλαξίες μετατοπίζεται προς μεγαλύτερα μήκη κύματος ή redshift, από την περιοχή των οπτικών μηκών κύματος προς ην υπέρυθρη περιοχή.

Προκειμένου λοιπόν να μελετηθούν οι πρόωροι γαλαξίες με κάποια λεπτομέρεια, οι αστρονόμοι πρέπει επομένως να χρησιμοποιήσουν τα μεγαλύτερα επίγεια τηλεσκόπια, που συλλέγουν το εξασθενημένο φως τους σε  παρατηρήσεις πολύ μεγάλης διάρκειας. Επιπλέον πρέπει να χρησιμοποιήσουν ανιχνευτές ευαίσθητους στο υπέρυθρο.

Τηλεσκόπια σαν γιγαντιαία μάτια

Το Βαθύ Πεδίο Hubble του Νότιου Ημισφαιρίου (HDF-S) είναι ένα πολύ μικρό τμήμα του ουρανού στο Νότιο αστερισμό Tucanae. Αυτό το τμήμα επιλέχτηκε γιατί είχαν γίνει σε αυτό πολύ λεπτομερείς μελέτες με τη βοήθεια του διαστημικού τηλεσκόπιου Hubble (HST)) και άλλα ισχυρά τηλεσκόπια. Οι οπτικές εικόνες αυτού του πεδίου, που λήφθηκαν με το HST αντιπροσωπεύουν έναν συνολικό χρόνο έκθεσης 140 ωρών. Συγχρόνως, πολλά επίγεια τηλεσκόπια έχουν πάρει εικόνες και φάσματα των αντικειμένων σε αυτήν την περιοχή του ουρανού, ιδιαίτερα τα τηλεσκόπια ESO στη Χιλή.

Τα στοιχεία αυτού του τμήματος είναι μοναδικά και επέτρεψαν στους αστρονόμους να κάνουν λεπτομερείς μελέτες του πληθυσμού των γαλαξιών στο αρχικό Σύμπαν. Τα στοιχεία του Παρατηρητηρίου Paranal της ESO, μαζί με τα στοιχεία του VLT συνδυάστηκαν με τα οπτικά στοιχεία του HST και μας έδωσαν τέλεια αποτελέσματα.

Ένα πιο μπλε χρώμα

Οι αστρονόμοι ήταν σε θέση να ανιχνεύσουν καθαρά περίπου 300 γαλαξίες σε αυτές τις εικόνες. Για κάθε ένα  από αυτούς, μέτρησαν την απόσταση του με τη βοήθεια του redshift. Αυτό έγινε με τη βοήθεια μιας,  πρόσφατα βελτιωμένης, μεθόδου που βασίζεται στη σύγκριση της φωτεινότητας κάθε αντικειμένου σε όλες τις μεμονωμένες φασματικές περιοχές, με αυτήν ενός συνόλου κοντινών γαλαξιών.

Κατ' αυτό τον τρόπο, βρέθηκαν γαλαξίες στο πεδίο HDF-S με redshifts πολύ υψηλά z=3.2, που αντιστοιχεί σε αποστάσεις γύρω στα 11, 500 δισεκατομμύριο έτη φωτός. Με άλλα λόγια, οι αστρονόμοι έβλεπαν το φως αυτών των πολύ απομακρυσμένων γαλαξιών όπως ήταν όταν το σύμπαν είχε ηλικία περίπου 2.2 δισεκατομμυρίων ετών.

Οι αστρονόμοι καθόρισαν έπειτα την ποσότητα του φωτός που εκπέμφθηκε από κάθε γαλαξία κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αφαιρεθούν τα αποτελέσματα των μετατοπίσεων προς το ερυθρό. Δηλαδή, μέτρησαν το ποσό του φωτός σε διαφορετικά μήκη κύματος (χρώματα) όπως θα είχε καταγραφεί από έναν παρατηρητή πλησίον εκείνου του γαλαξία. Αυτό, φυσικά, αναφέρεται μόνο στο φως από εκείνα τα αστέρια που δεν κρύβονται αρκετά από τη διαστρική και διαγαλαξιακή σκόνη.

Αθροίζοντας το φως που εκπέμφθηκε στα διαφορετικά μήκη κύματος από όλους τους γαλαξίες σε μια δεδομένη κοσμική εποχή, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν έπειτα να καθορίσουν επίσης το μέσο χρώμα του Σύμπαντος ή το "κοσμικό χρώμα" εκείνης της εποχής. Επιπλέον, ήταν σε θέση να μετρήσουν πως έχει αλλάξει αυτό το χρώμα, καθώς το σύμπαν γερνά.

Συμπεραίνουν λοιπόν οι επιστήμονες ότι το κοσμικό χρώμα γίνεται πιο κόκκινο χρώμα με το χρόνο.  Ήταν πολύ πιο μπλε στο παρελθόν. Τώρα, σε ηλικία σχεδόν 14.000 δισεκατομμυρίων ετών, το Σύμπαν έχει ένα είδος μπεζ χρώματος. 

Πότε σχηματίστηκαν τα αστέρια;

Η αλλαγή του κοσμικού χρώματος με το χρόνο μπορεί να είναι ενδιαφέρουσα αυτή καθευατή, αλλά είναι επίσης ένα ουσιαστικό εργαλείο για το πόσο γρήγορα σχηματίστηκαν τα αστέρια στον Κόσμο.

Πράγματι, ενώ ο σχηματισμός των άστρων σε μεμονωμένους γαλαξίες μπορεί να είναι μια μπλεγμένη ιστορία, οι νέες παρατηρήσεις - που βασίζονται τώρα σε πολλούς γαλαξίες - εμφανίζουν ότι η "μέση ιστορία" του σχηματισμού των άστρων στο Σύμπαν είναι πολύ απλούστερη. Αυτό είναι εμφανές από την παρατηρηθείσα, ομαλή μεταβολή του κοσμικού χρώματος όσο γινόταν γηραιότερο το σύμπαν.

Χρησιμοποιώντας το κοσμικό χρώμα οι αστρονόμοι ήταν επίσης ικανοί να καθορίσουν πώς η μέση ηλικία των αστεριών στο σύμπαν άλλαζε με το χρόνο. Επειδή το σύμπαν ήταν πολύ πιο μπλε στο παρελθόν από ό,τι είναι σήμερα, συμπέραναν ότι το σύμπαν δεν παράγει τόσα μπλε (με μεγάλη μάζα και βραχύβια) άστρα τώρα, όσα και προηγουμένως, ενώ συγχρόνως τα κόκκινα (με μικρή μάζα και μεγάλης διάρκειας ζωής) αστέρια από αυτά που είχαν σχηματιστεί σε παλιότερες εποχές είναι ακόμα παρόντα.

Τα μπλε, ογκώδη αστέρια πεθαίνουν γρηγορότερα από τα κόκκινα με μικρή μάζα αστέρια και επομένως καθώς η ηλικία μιας ομάδας αστεριών αυξάνει, τα μπλε βραχύβια αστέρια πεθαίνουν και το μέσο χρώμα της ομάδας γίνεται πιό κόκκινο. Αυτό συμβαίνει και σε όλο το σύμπαν συνολικά.

Οι αστρονόμοι καθόρισαν πόσα αστέρια είχαν ήδη σχηματιστεί όταν το σύμπαν ήταν μόνο 3 δισεκατομμυρίων ετών. Τα νέα αστέρια (με μπλε χρώμα) εκπέμπουν περισσότερο φως από όσο τα παλαιότερα και πιο κόκκινα αστέρια.

Επειδή το συνολικό ποσό του φωτός στον Κόσμο, κατά το παρελθόν, ήταν σχεδόν ίδιο όπως και σήμερα και ένα νεαρό μπλε αστέρι εκπέμπει πολύ περισσότερο φως από ό,τι ένα παλαιό κόκκινο άστρο, πρέπει να υπήρχαν  τότε πολύ λιγότερα αστέρια στο νεαρό Σύμπαν από όσα υπάρχουν τώρα. Τα νέα συμπεράσματά υπονοούν ότι υπήρχαν 10 φορές λιγότερα αστέρια στο νεαρό Σύμπαν από όσα υπάρχουν σήμερα.

Τελικά, οι αστρονόμοι βρήκαν ότι κατά προσέγγιση τα μισά από τα αστέρια στους γαλαξίες που παρατήρησαν, έχουν σχηματιστεί 7 δισεκατομμύρια χρόνια μετά από το Big Bang.

Αν και αυτό το αποτέλεσμα βγήκε από μια μελέτη ενός πολύ μικρού χώρου του ουρανού, και επομένως μπορεί να μην είναι εντελώς αντιπροσωπευτικό του  συνολικού σύμπαντος, το αποτέλεσμα αυτό έχει δείξει ότι ταιριάζει και με άλλα τμήματα ουρανού.