Ανακαλύψεις εμφανίζουν τη Κοσμική Αυγή από το 'Σκοτεινό Κοσμικό Μεσαίωνα'

Από την ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, 10 Ιανουαρίου 2003

Πέμπτη 10 Ιανουαρίου 2003, 201ο συνέδριο της AAS στο Σίατλ της πολιτείας Ουάσιγκτον.

Αστρονόμοι για πρώτη φορά έχουν δει το Κοσμικό Ξημέρωμα, μια Εποχή πριν από περίπου 13 δισεκατομμύρια έτη, όταν τότε για πρώτη φορά εμφανίστηκε το φως των πρώτων σχηματισθέντων άστρων και γαλαξιών, που τρεμόσβηνε μέσω της εναπομείνουσας αρχέγονης ομίχλης.

Δύο ανεξάρτητες ομάδες αστρονόμων, με τη βοήθεια της σύγχρονης τεχνολογίας, ανακοίνωσαν στο συνέδριο την ανακάλυψη πολλαπλών εξασθενημένων γαλαξιών και τριών κβάζαρ, που μπορεί να βοήθησαν ώστε να τελειώσει ο "Σκοτεινός Κοσμικός Μεσαίωνας". Αυτή η σκοτεινή περίοδος άρχισε ίσως και 300.000 έτη αφότου γεννήθηκε το Σύμπαν μετά την Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Το Σύμπαν τότε βρισκόταν σε αυτή την κατάσταση για εκατοντάδες εκατομμύρια έτη. Κατά τη διάρκεια αυτής της Σκοτεινής Εποχής, το νεαρό σύμπαν καλύφθηκε από ένα νεφελώδες πέπλο με το ελαφρύ αέριο υδρογόνο. Αυτός ο Σκοτεινός Μεσαίωνας όμως τελείωσε, περίπου ένα δισεκατομμύριο έτη μετά το Big Bang, όταν άρχισαν να λούζουν το Σύμπαν στο φως τους τα νεογέννητα άστρα και οι γαλαξίες.

"Η ερώτηση πότε σχηματίσθηκε το πρώτο φως έχει τεθεί για πρώτη φορά στα θρησκευτικά κείμενα, πολύ πριν οι επιστήμονες μπορούσαν άρχισαν να το εξετάζουν", αναφέρει ο Avi Loeb, ένας επικεφαλής θεωρητικός φυσικός του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ σε αυτό το καταπληκτικό πεδίο της έρευνας. "Αυτή είναι η πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία που είμαστε σε θέση να εξετάσουμε επιστημονικά αυτήν την ερώτηση".

Ομάδα Sloan

Η πρώτη ομάδα, που καθοδηγήθηκε από τον Xiaohui Fan του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, ανήγγειλε ότι έχει ανακαλύψει τρία νέα κβάζαρ, συμπεριλαμβανομένου και του πιο απόμακρου κβάζαρ που έχει ανιχνευθεί ποτέ. Οι εικόνες των κβάζαρ εμφανίζουν αυτό που οι επιστήμονες θεωρούν ότι είναι οι σκιές από τις τελευταίες "τούφες" της κρυμμένης ομίχλης του αερίου υδρογόνου. Η βασική τους παρατήρηση έγινε με το τηλεσκόπιο των 2.5 μέτρων της Ψηφιακής Έρευνας Ουρανού Sloan (SDSS), όπως ονομάζεται, στο παρατηρητήριο Apache Point στο Νέο Μεξικό, και ελέγχθηκε από τα τηλεσκόπια στη Χαβάη, το Τέξας και την Ισπανία.

"Αυτές οι ανακαλύψεις μας δίνουν την πρώτη αναλαμπή του Κόσμου όταν ήταν μόνο το 5 τοις εκατό της σημερινής του ηλικίας, δηλαδή μόνο 800 εκατομμυρίων ετών", αναφέρει ο Michael Strauss, ένας επικεφαλής του προγράμματος στο Πανεπιστήμιο Princeton .

Οι αστρονόμοι βρίσκονται σε αμηχανία γιατί τα κβάζαρ να υπήρξαν τόσο νωρίς στην εξέλιξη του Σύμπαντος; Τα κβάζαρ είναι πιθανά νεαροί γαλαξίες που τροφοδοτούνται από τις υπερμεγέθεις μαύρες οπές, που βρίσκονται στο κέντρο τους.

Η λαμπρότητά τους -- ισοδύναμη με αυτή δισεκατομμυρίων ήλιων -- προέρχεται από τις λάμψεις της ακτινοβολίας και την άνοδο της θερμοκρασίας. Αυτές προκαλούνται καθώς οι μαύρες οπές απορροφούν το αέριο και άλλο υλικό από τα γειτονικά άστρα. Η ίδια η μαύρη οπή είναι αόρατη, ένα αντικείμενο τόσο πυκνό που ακόμα και το φως δεν μπορεί να δραπετεύσει λόγω της βαρύτητάς του. Αλλά τα κβάζαρ είναι μόνο η εκθαμβωτική άκρη ενός παγόβουνου με πολύ εξασθενημένες τις φωτεινές πηγές, λόγω της τεράστιας απόστασης τους.

Η Ψηφιακή Έρευνα του Ουρανού Sloan θα χαρτογραφήσει λεπτομερώς το ένα τέταρτο ολόκληρου του ουρανού, καθορίζοντας τις θέσεις και την απόλυτη φωτεινότητα 100 εκατομμυρίων ουράνιων αντικειμένων. Θα μετρήσει επίσης τις αποστάσεις σε περισσότερους από ένα εκατομμύριο γαλαξίες και κβάζαρ. Η Αστροφυσική Σρευνητική Κοινοπραξία (ARC) λειτουργεί με το παρατηρητήριο Apache.

Υψηλό redshift

Ο Fan ανέφερε ότι λόγω της παλαιότητας των τριών κβάζαρ, η μετατόπιση προς το ερυθρό των φασματικών τους γραμμών ( redshift στην γλώσσα των αστρονόμων), είναι πάρα πολύ μεγάλη. Κατά προσέγγιση είναι 6.4, 6.2, 6.1 αντίστοιχα, που αντιστοιχούν σε απόσταση 13 δισεκατομμυρίων ετών φωτός και ανακαλύφθηκαν πρόσφατα στον αστερισμό Ursa Major.

Όταν ένα ουράνιο αντικείμενο απομακρύνεται από τη Γη, οι γραμμές στο φάσμα του, μετατοπίζονται προς τα μεγαλύτερα μήκη κύματος, προς το κόκκινο -redshift- δηλαδή. Και αυτή η μετατόπιση είναι ανάλογη προς την ταχύτητα του αντικειμένου. Οι αστρονόμοι τώρα θεωρούν ότι τα πιο απόμακρα αντικείμενα υποχωρούν από τη Γη με υψηλότερες ταχύτητες από ότι οι κοντινοί γαλαξίες. Έτσι ένας πολύ μακρινός γαλαξίας ή άλλο αντικείμενο έχει μεγάλο redshift.

Μέχρι τώρα μόνο ένα κβάζαρ ήταν γνωστό ότι είχε redshift μεγαλύτερο από έξι. Συγκεκριμένα ένα κβάζαρ με redshift 6.28, που είχε ανακαλύφθηκε το 2001 από την Ψηφιακή Έρευνα Ουρανού Sloan (SDSS).

Όμως η ανακάλυψή τους έπρεπε να επαληθευτεί και με τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια του κόσμου. Επιτρέπουν έτσι στους αστρονόμους να πάρουν τα φάσματα των εξασθενημένων κβάζαρ. Ώστε έτσι να διακρίνουν τους απόμακρους υποψηφίους κβάζαρ, που τροφοδοτούνται από τις μαύρες οπές, με δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου, λόγω απορρόφησης μικροσκοπικών άστρων.

Τελικά η έρευνα Sloan έχει ανακαλύψει έως τώρα τα επτά πιο απόμακρα γνωστά κβάζαρ.

Η ομάδα με το Hubble

H δεύτερη ομάδα χρησιμοποίησε το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble για να συλλάβει αποδείξεις περισσότερων από δύο δωδεκάδων εξασθενημένων γαλαξιών, έναν πληθυσμό που, όπως και τα κβάζαρ, μπορεί να έχει βοηθήσει στο τέλος του Σκοτεινού Κοσμικού Μεσαίωνα. Αυτοί οι γαλαξίες, που έφεραν την Κοσμική Αυγή, είναι ένα δισεκατομμύριο φορές μειωμένης έντασης από όσο τα αστέρια και άλλα αντικείμενα που οι άνθρωποι μπορούν να δουν με γυμνό μάτι.

Σε μια ορισμένη χρονική στιγμή, αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες έτη αφότου δημιουργήθηκε το Σύμπαν (το γνωστό μας Big Bang), η ψυχθείσα διαστελλόμενη σούπα των ηλεκτρικά φορτισμένων υποατομικών σωματιδίων, άρχισε να οργανώνεται σε άτομα (σύλληψη των ηλεκτρονίων από τα πρωτόνια και δημιουργία των πρώτων ατόμων). Τότε άρχισαν και τα φωτόνια να μπορούν να ταξιδεύουν. Αλλά το μόνο "φως" την εποχή εκείνη ήταν η ψυχθείσα ακτινοβολία των τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν, που απέμεινε από το ίδιο το Big Bang. Οι αστρονόμοι την ονομάζουν Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου, η οποία σήμερα είναι μόλις 2.7 βαθμούς Kelvin.

Την ίδια εποχή, η διαστολή και η ψύξη του Σύμπαντος οδήγησαν στην περίοδο, που ο Sir Martin Rees έχει ονομάσει "Σκοτεινός Μεσαίωνας". Η σφοδρότητα της Μεγάλης Έκρηξης είχε τότε εξασθενίσει, και, για μια εποχή, δεν υπήρχαν κανένα αστέρι ή άλλα αντικείμενα για να φωτίσουν το κενό.

Υπήρξαν, εντούτοις, λεπτές διακυμάνσεις στις πυκνότητες του αερίου που γέμιζε τον Κόσμο. Οι κοσμολόγοι θεωρούν ότι, σχεδόν όπως οι χιονόμπαλες που κυλούν προς τα κάτω, έτσι συσσωρεύτηκε όλο και περισσότερη μάζα με αποτέλεσμα ορισμένες περιοχές του Σύμπαντος να γίνουν πυκνότερες. Η συσσώρευση πραγματοποιήθηκε μέσω της βαρυτικής έλξης, έως ότου οι πυκνότερες περιοχές κατέρρευσαν για να σχηματίσουν τους πρώτους γαλαξίες και τα αστέρια -- καθώς και τις μαύρες οπές.

Σε κάποια χρονική στιγμή, το φως από την αστρική γέννηση "επαναϊονίζουν" τα ουδέτερα υδρογόνα, φωτίζοντας και διασκορπώντας την υπάρχουσα ομίχλη του Σύμπαντος. Η διαδικασία αυτή διαδόθηκε τελικά σε όλο τον Κόσμο. Τα νεαρά κβάζαρ είναι μερικά από τα πρώτα αντικείμενα που φάνηκαν να αναδύονται από το Σκοτεινό Μεσαίωνα.

Ο Patric Leahy, στο Παρατηρητήριο Jodrell, λέει ότι είναι αυτήν την περίοδο ασαφές αν τα κβάζαρ ή οι κανονικοί γαλαξίες προκάλεσαν αυτόν τον επαναιονισμό. "Αλλά αυτό το είδος της έρευνας πρόκειται να βοηθήσει ώστε να απαντηθούν θεμελιώδη ερωτήματα της κοσμολογίας", είπε ο Leahy.

Η τρέχουσα θεωρία θεωρεί ότι μετά από το Big Bang, με το οποίο δημιουργήθηκε ο Κόσμος, υπήρξε μια εποχή επέκτασης και ψύξης η οποία οδήγησε στο "Σκοτεινό Κοσμικό Μεσαίωνα".

Ο Κόσμος ψύχθηκε αρκετά έτσι ώστε να μπορέσουν τα πρωτόνια να συγκρατήσουν τα ηλεκτρόνια και να σχηματίσουν τα ουδέτερα άτομα του υδρογόνου και να εμποδιστεί η μεταφορά του φωτός. Αυτή η εποχή άρχισε περίπου 300.000 έτη μετά από το Big Bang και τελείωσε πολλά εκατομμύρια έτη αργότερα. Τα αστέρια και οι γαλαξίες άρχισαν να σχηματίζονται σε κάποιο σημείο κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής, αλλά τα πανταχού παρόντα ουδέτερα υδρογόνα στο Σύμπαν απορρόφησαν το υπεριώδες φως που παρήχθη από τα αστέρια, το οποίο δεν μπορεί να φανεί από τα σημερινά τηλεσκόπια.