Γαλαξίας στα όρια του σύμπαντος

Από ιστοσελίδα του ESO, 1η Μαρτίου 2004

Κάνοντας χρήση του ISAAC, ένα όργανο  της περιοχής του εγγύς υπέρυθρου, στο Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) του ESO (Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρήτηριο), καθώς και του φαινομένου της βαρυτικής ενίσχυσης μέσω ενός βαρυτικού φακού, μια ομάδα  Γάλλων και Ελβετών αστρονόμων  βρήκε διάφορους εξασθενημένους γαλαξίες που θεωρούνται ότι είναι οι πιο απομακρυσμένοι γνωστοί γαλαξίες.

Σε εκτεταμένες φασματοσκοπικές μελέτες ένας από αυτούς τους γαλαξίες έχει προσφέρει μια ισχυρή ένδειξη ότι αυτός είναι τώρα ο πιο απόμακρος γαλαξίας, που γνωρίζουμε στο Σύμπαν.

Το όνομα του είναι Abell 1835 IR1916, και έχει τη μεγαλύτερη μέχρι τώρα ερυθρή μετατόπιση (redshift) z=10. Αυτό σημαίνει ότι βρίσκεται, περίπου, 13,23 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας. Επομένως, φαίνεται σε μία εποχή που το Σύμπαν ήταν μόνο 470 εκατομμυρίων ετών, δηλαδή μόλις το 3% της τρέχουσας ηλικίας του.

Αυτός ο αρχέγονος γαλαξίας εμφανίζεται να είναι δέκα χιλιάδες φορές λιγότερο ογκώδεις από το Γαλαξία μας. Μπορεί να είναι μεταξύ των πρώτων αντικειμένων, που έβαλαν ένα τέλος στον Κοσμικό Μεσαίωνα. Αυτή η αξιοπρόσεκτη ανακάλυψη δείχνει καθαρά την ικανότητα των μεγάλων επίγειων τηλεσκοπίων στην περιοχή του εγγύς υπέρυθρου για την εξερεύνηση του αρχέγονου σύμπαντος.

Αναζήτηση στο παρελθόν

Όπως οι παλαιοντολόγοι σκάβουν ολοένα και πιο βαθιά για να βρουν τα παλαιότερα αρχαία, έτσι και οι αστρονόμοι προσπαθούν να κοιτάζουν στις πιο απόμακρες και σκοτεινές γειτονιές του σύμπαντος για να διερευνήσουν τον πολύ νεαρό Κόσμο. Ο σκοπός τους; Να βρουν τα πρώτα αστέρια και τους γαλαξίες που σχηματίστηκαν ακριβώς μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ακριβέστερα, οι αστρονόμοι προσπαθούν να εξερευνήσουν τα τελευταία "άγνωστα εδάφη", το όριο μεταξύ του Κοσμικού "Μεσαίωνα" και της "Αναγέννησης".

Λίγο μετά από το Big Bang, κάπου 13,7 εκατομμύριο χρόνια πριν, το σύμπαν βυθίστηκε στο σκοτάδι. Το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που απέμεινε από την αρχέγονη βολίδα είχε αυξηθεί λόγω της κοσμικής διαστολής και δεν είχαν ακόμα σχηματιστεί ούτε τα αστέρια ούτε τα κβάζαρ, που θα μπορούσαν να φωτίσουν το απέραντο διάστημα. Το σύμπαν ήταν μια ψυχρή και αδιαφανής τοποθεσία. Αυτή η σκοτεινή εποχή ονομάζεται "Κοσμικός Μεσαίωνας".

Μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα, η πρώτη γενεά των αστεριών και, αργότερα ακόμα, των πρώτων γαλαξιών και των κβάζαρ, παρήγαγε έντονη υπεριώδη ακτινοβολία, που βαθμιαία μπόρεσε να ξεφύγει από την κοσμική ομίχλη σε όλο τον Κόσμο.

Αυτό ήταν το τέλος του Κοσμικού Μεσαίωνα που αναφέρεται μερικές φορές ως "Κοσμική Αναγέννηση".

Οι αστρονόμοι προσπαθούν να βρουν πότε  - και πώς - ακριβώς τελείωσε ο Κοσμικός Μεσαίωνας. Χρειάζεται λοιπόν να βρούμε τα πιο απομακρυσμένα αντικείμενα, μια πρόκληση που μόνο τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια  μπορούν να βρουν.

Χρησιμοποίηση ενός βαρυτικού τηλεσκοπίου

Με την εμφάνιση των τηλεσκοπίων των 8-10 μέτρων έχει επιτευχθεί θεαματική πρόοδος κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας.

Πράγματι, έχει γίνει από τότε δυνατόν να παρατηρηθούν με λεπτομέρεια αρκετές χιλιάδες γαλαξίες και κβάζαρ σε αποστάσεις, σχεδόν, 12 δισεκατομμυρίων ετών φωτός (δηλ. μέχρι ερυθρής μετατόπισης -  redshift=3). Με άλλα λόγια οι αστρονόμοι είναι τώρα ικανοί να μελετήσουν μεμονωμένους γαλαξίες, το σχηματισμό τους, την εξέλιξη τους και άλλές ιδιότητες του 85% της προηγούμενης ιστορίας του σύμπαντος.

Για ακόμα πιο μακριά στο χρόνο και στο χώρο, οι γαλαξίες και τα κβάζαρ γίνονται λιγοστά. Αυτήν την περίοδο, λίγοι μόνο πολύ εξασθενημένοι γαλαξίες φαίνονται. Περίπου 1.200 έως 750 εκατομμύρια έτη μετά από το Big Bang (redshift 5-7). Πιο πίσω ακόμα, η ακτινοβολία αυτών των αντικειμένων μετατοπίζεται από τις οπτικές στο εγγύς υπέρυθρο και γι' αυτό οι μελέτες έχουν περιοριστεί.

Μια πολύ σημαντική ανακάλυψη σε αυτήν την αναζήτηση για τον πιο αρχέγονο σχηματισθέντα γαλαξία επιτεύχθηκε τώρα από μια ομάδα Γάλλων και Ελβετών αστρονόμων χρησιμοποιώντας το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο της ESO (VLT), που είναι εξοπλισμένο με το ευαίσθητο όργανο ISAAC στο εγγύς υπέρυθρο.

Για να ολοκληρώσουν την αναζήτηση, έπρεπε να συνδυάσουν το φως που ενισχύθηκε από ένα σμήνος γαλαξιών - σαν ένα βαρυτικό τηλεσκόπιο - με το φως που συνέλεξε το VLT κάτω από τις εξαίρετες συνθήκες του ουρανού που επικρατούν στο Paranal.

Έρευνα για τους απόμακρους γαλαξίες

Καταρχήν, πάρθηκαν εικόνες ενός σμήνους γαλαξιών, που λέγεται Abell 1835, από το όργανο ISAAC του VLT. Τέτοια, σχετικά κοντά μας, ογκώδη σμήνη είναι σε θέση να κάμψουν και να ενισχύσουν το φως των πηγών που βρίσκονται πίσω τους - το γνωστό φαινόμενο της βαρυτικής εστίασης. Μάλιστα, προβλέπεται και από τη θεωρία  της γενικής σχετικότητας του Einstein.

Αυτή η φυσική ενίσχυση επιτρέπει στους αστρονόμους να παρατηρήσουν γαλαξίες, που ειδάλλως θα ήταν αθέατοι λόγω της μεγάλης εξασθένησης του φωτός τους.

Στην περίπτωση που αναφέρουμε, το φως ενισχύθηκε περίπου 25 έως 100 φορές. Σε συνδυασμό με την ισχύ του VLT πάρθηκε ένα φάσμα αυτού του γαλαξία. Πράγματι, η φυσική βαρυτική ενίσχυση αύξησε το ονομαστικό διάφραγμα του VLT από 8.2m σε 40-80 μ.

Οι εικόνες, στο εγγύς υπέρυθρο,  που πάρθηκαν σε διαφορετικά μήκη κύματος επέτρεψαν στους αστρονόμους να βρουν τις ιδιότητες μερικών χιλιάδων γαλαξιών και να επιλέξουν μια χούφτα από αυτούς ότι ενδεχομένως ήταν πολύ απόμακροι γαλαξίες.

Συγχρόνως χρησιμοποίησαν εικόνες του τηλεσκόπιου Καναδά-Γαλλίας-Χαβάης (CFHT) στο Mauna Kea καθώς και εικόνες από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Κι αυτό το έκαναν για να ελέγχουν ότι αυτοί οι γαλαξίες πράγματι δεν φαίνονται στα οπτικά μήκη κύματος. Κατ' αυτό τον τρόπο, βρέθηκαν έξι υποψήφιοι γαλαξίες υψηλού redshift z, το φως των οποίων μπορεί να έχει εκπεμφθεί όταν το Σύμπαν ήταν λιγότερο από 700 εκατομμυρίων χρόνων.

Μετά από αρκετούς μήνες προσεκτικής ανάλυσης των στοιχείων, οι αστρονόμοι είναι τώρα πεπεισμένοι ότι έχουν ανιχνεύσει ένα αδύνατο αλλά σαφές φασματικό χαρακτηριστικό γνώρισμα στο φάσμα της περιοχής του εγγύς υπέρυθρου. Μια γραμμή εκπομπής άλφα-Lyman  χαρακτηριστική αυτών των αντικειμένων. Αυτή η γραμμή, που εμφανίζεται στο εργαστήριο με ένα μήκος κύματος 0.1216 μm, δηλαδή στην υπεριώδη περιοχή, έχει μετατοπιστεί στην περιοχή του εγγύς υπέρυθρου με μήκος κύματος 1,34 μm. Έτσι ο γαλαξίας Abell 1835 IR1916 έγινε ο πρώτος γαλαξίας που βρέθηκε να έχει redshift z τόσο μεγάλο, 10.

Ο πιo απόμακρος γνωστός γαλαξίας μέχρι σήμερα

Η ανακάλυψη είναι η πρώτη με διψήφιο redshift z. Για σύγκριση η τότε ηλικία του σύμπαντος είναι σαν την ηλικία των 2,5 χρόνων σε έναν 80-χρόνο άνθρωπο. Το προηγούμενο ρεκόρ για την ερυθρή μετατόπιση z ήταν 6,6.

Από τις εικόνες αυτού του γαλαξία, οι αστρονόμοι συνάγουν ότι βρίσκεται σε μια περίοδο έντονου σχηματισμού αστεριών. Αλλά η ποσότητα των αστεριών που σχηματίζονται υπολογίζεται να είναι "μόνο" 10 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου, περίπου δέκα χιλιάδες φορές μικρότερη από τη μάζα του Γαλαξία μας.

Με άλλα λόγια, αυτό που βλέπουν οι αστρονόμοι είναι η πρώτη από τις "δομικές ομάδες" που έφτιαξαν τους μεγάλους γαλαξίες του σήμερα. Αυτή η ανακάλυψη συμφωνεί πολύ καλά με την τρέχουσα αντίληψη για τη διαδικασία του σχηματισμού των γαλαξιών.

Αυτή η διαδικασία αντιστοιχεί σε μια διαδοχική κατασκευή μεγάλων γαλαξιών, που φαίνονται σήμερα μέσω πολυάριθμων συγχωνεύσεων των "δομικών ομάδων", δηλαδή των μικρότερων και νεώτερων γαλαξιών που έχουν σχηματιστεί στο παρελθόν.

Αυτές οι πρώτες συγκεντρώσεις των άστρων, οι "δομικές ομάδες" των μεγάλων γαλαξιών, μπορούν να δώσουν τις πρώτες πηγές φωτός στον Κόσμο. Αυτές που το φως τους ξεκαθάρισε την Κοσμική Ομίχλη και έβαλαν ένα τέλος στον Κοσμικό Μεσαίωνα.

Το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) στη Χιλή ανήκει στο Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρητήριο. Η ESO  είναι ένας ερευνητικός οργανισμός από δέκα χώρες μέλη με έδρα το Μόναχο.

Κοσμικός Μεσαίωνας

Μέχρι την εποχή των 380.000 χρόνων μετά το Big Bang (σύμφωνα με τις έρευνες του WMAP), η θερμοκρασία του σύμπαντος παρέμενε αρκετά υψηλή, ώστε να κρατά τα άτομα ιοντισμένα. Μέχρι τότε σε αυτή τη θάλασσα του κοσμικού πλάσματος, τα φωτόνια δεν είχαν τη δυνατότητα να ταξιδέψουν μακριά. Συνεχώς η ακτινοβολία αντιδρούσε με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και τα ιόντα και η ζωή τους ήταν μια συνεχής απορρόφηση, σκέδαση και επανεκπομπή.

Το σύμπαν μέχρι τη θερμοκρασία λοπόν τη θερμοκρασία των 3.000 Κ ήταν αδιαφανές στα φωτόνια. Δηλαδή, δεν είχε τη δυνατότητα να διαφύγει - να διαχωριστεί - από την ύλη με αποτέλεσμα να μην μπορεί να μεταφέρει σε μας σήμερα τι συνέβαινε εκείνη την εποχή στο Σύμπαν (Κοσμικός Μεσαίωνας).

Όταν το σύμπαν ψύχθηκε ακόμα πιο πολύ, τότε τα ηλεκτρόνια ενώνονται μόνιμα με τους πυρήνες κι έτσι σχηματίζονται ουδέτερα άτομα. Το κοσμικό πλάσμα γίνεται ένα νέφος αερίων, κυρίως υδρογόνου και ηλίου, μέσα στο οποίο η ακτινοβολία - τα φωτόνια - μπορεί να ταξιδέψει ελεύθερα. Η ύλη δηλαδή διαχωρίζεται από την ακτινοβολία ή όπως λέμε τα φωτόνια υφίστανται την τελευταία τους σκέδαση. Έτσι το σύμπαν πέρασε από την κυριαρχία της ακτινοβολίας στην κυριαρχία της ύλης.

Αυτό σημαίνει ότι η συνεισφορά της ακτινοβολίας στην ολική ενέργεια του σύμπαντος μειώθηκε και αυξήθηκε η ενέργεια της ύλης.

Συγχρόνως δε φάνηκε και το πρώτο φως των άστρων και των γαλαξιών στο σκοτεινό μέχρι τότε Σύμπαν. Γιατί το σύμπαν έγινε 380.000 χρόνια μετά το Big Bang διαφανές στην ακτινοβολία, άρα μπορούν τα φωτόνια να μεταφέρουν πληροφορίες από το τότε σύμπαν σε μας σήμερα με τη μορφή της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (Κοσμική Αναγέννηση).