Οι αστρονόμοι ερευνούν τον Κοσμικό Μεσαίωνα του Σύμπαντος

Από το Harvard, 4 Μαΐου 2004

Όταν εξετάζετε τον ουρανό, είναι σαν να κοιτάτε το παρελθόν μέσω μιας χρονικής μηχανής. Κι όσο πιο μακριά κοιτάζετε, τόσο περισσότερο χρόνο χρειάστηκε το φως για να φθάσει σε σας. Τα ισχυρότερα τηλεσκόπια στη γη μπορούν να δουν σε μια απόσταση 13 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από μας. Αλλά κανένα πιο μακρινό αντικείμενο, καθώς και τα πρώτα αστέρια δεν είχαν λάμψει ακόμα για να φωτίσουν τον ουρανό - μια εποχή που ονομάζεται γι' αυτό το λόγο  "Κοσμικός Μεσαίωνας". Το λυκόφως της Μεγάλης Έκρηξης, η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου, παρουσιάζεται σε όλο τον ουρανό, και οι αστρονόμοι έχουν βρει πως από το διάγραμμα της να καταλαβαίνουν την κατανομή της ύλης στον Κοσμικό Μεσαίωνα.

Οι αστρονόμοι που θέλουν να μελετήσουν το Σύμπαν στις πρώτες του στιγμές αντιμετωπίζουν ένα θεμελιώδες πρόβλημα. Πώς να καταλάβουν τι υπήρχε κατά τη διάρκεια του "Κοσμικού Μεσαίωνα", αφού δεν είχαν 'ανάψει' ακόμα για να φωτίσουν τα πρώτα αστέρια; Οι θεωρητικοί Abraham Loeb και Matias Zaldarriaga (του Χάρβαρντ-Σμιθσονιτικό Κέντρο για την Αστροφυσική) έχουν βρει μια λύση. Υπολόγισαν ότι οι αστρονόμοι μπορούν να ανιχνεύσουν τα πρώτα άτομα στο πρώιμο σύμπαν ερευνώντας για τις σκιές που δίνουν.

Για να δει τις σκιές, ένας παρατηρητής πρέπει να μελετήσει το Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB) - την ακτινοβολία που έμεινε από την εποχή της επανασύνδεσης. Όταν το σύμπαν ήταν περίπου 370.000 ετών, ψύχθηκε τόσο έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια να μπορούν να ενωθούν ή να συνδεθούν,  φτιάχνοντας ουδέτερα άτομα υδρογόνου για πρώτη φορά και επιτρέποντας στην ακτινοβολία CMB -λείψανο της Μεγάλης Έκρηξης -  να ταξιδέψει σχεδόν ανεμπόδιστο σε όλο το Σύμπαν τα προηγούμενα 13 δισεκατομμύρια χρόνια και να φτάσει σε μας.

Την εποχή αυτή, μερικά από τα φωτόνια της CMB συνάντησαν μεγάλες μάζες αερίου υδρογόνου και απορροφήθηκαν. Ερευνώντας λοιπόν για περιοχές με λιγότερα φωτόνια - περιοχές που κυριαρχεί το υδρογόνο - οι αστρονόμοι μπορούν να καθορίσουν την κατανομή της ύλης στο πολύ πρώιμο σύμπαν.

"Υπάρχει ένα τεράστιο ποσό πληροφοριών που αποτυπώνεται στην μικροκυματική ακτινοβολία του ουρανού, που θα μπορούσε να μας δείξει τις αρχικές συνθήκες του σύμπαντος με πολύ μεγάλη ακρίβεια", αποκαλύπτει ο Loeb.

Πληθωρισμός και σκοτεινή ύλη

Για να απορροφήσει τα φωτόνια CMB, η θερμοκρασία του υδρογόνου (συγκεκριμένα η θερμοκρασία διέγερσής του) πρέπει να είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία της ακτινοβολίας CMB - συνθήκες που υπήρχαν μόνο όταν το σύμπαν ήταν μεταξύ 20 και 100 εκατομμυρίων ετών. Συμπτωματικά, αυτή η εποχή είναι πολύ πριν από το σχηματισμό οποιωνδήποτε αστεριών ή γαλαξιών, ανοίγοντας έτσι ένα μοναδικό παράθυρο στον αποκαλούμενο "Κοσμικό Μεσαίωνα ή Εποχή".

Η μελέτη των σκιών της CMB επιτρέπει, επίσης, στους αστρονόμους να παρατηρήσουν πολύ μικρότερες δομές από όσο ήταν δυνατόν πριν χρησιμοποιώντας όργανα, όπως είναι ο δορυφόρος Wilkinson (WMAP). Η τεχνική αυτή μπορεί να ανιχνεύσει μάζες υδρογόνου τόσο μικρές που η σημερινή τους έκταση είναι 30.000 έτη φωτός, ή αντίστοιχα έκτασης μόνο 300 έτη φωτός στον αρχέγονο κόσμο. (Η κλίμακα έχει γίνει μεγαλύτερη λόγω της διαστολής του σύμπαντος). Τέτοια ανάλυση είναι 1000 φορές καλύτερη από την ανάλυση του WMAP.

"Αυτή η μέθοδος προσφέρει ένα παράθυρο παρατήρησης στη φυσική του πολύ πρώιμου Κόσμου, δηλαδή την εποχή του πληθωρισμού κατά τη διάρκεια της οποίας θεωρούνται ότι έχουν παραχθεί οι διακυμάνσεις στην κατανομή της ύλης. Επιπλέον, θα μπορούσαμε να καθορίσουμε εάν τα νετρίνο ή κάποιος άγνωστος τύπος σωματιδίου συμβάλλει ουσιαστικά στην ποσότητα της "σκοτεινής ύλης" στο Σύμπαν. Αυτές οι ερωτήσεις - τι συνέβη κατά τη διάρκεια της εποχής του πληθωρισμού και τι είναι η σκοτεινή ύλη - είναι βασικά προβλήματα στη σύγχρονη κοσμολογία οι απαντήσεις της οποίας θα δώσουν  θεμελιώδεις ιδέες στη φύση του σύμπαντος", αναφέρει ο Loeb.

Μια πρόκληση

Τα άτομα υδρογόνου απορροφούν τα φωτόνια της μικροκυματικής ακτινοβολίας CMB σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, 21 cm. Η διαστολή του σύμπαντος αυξάνει το πραγματικό μήκος κύματος μεταθέτοντας το προς την περιοχή του υπέρυθρου. Επομένως, για να παρατηρήσουν την απορρόφηση των 21 cm από το πρώιμο σύμπαν, οι αστρονόμοι πρέπει να παρατηρήσουν πιο μακρά μήκη κύματος 6 έως 21 μέτρων, στη ραδιοπεριοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Η παρατήρηση των σκιών της CMB σε μήκη των ραδιοκυμάτων θα είναι δύσκολη, κάτι που οφείλεται στην συμβολή από κύματα πηγών που βρίσκονται στον ουρανό. Για να συγκεντρώσουν ακριβή στοιχεία, οι αστρονόμοι θα πρέπει να χρησιμοποιήσουν την επόμενη γενεά των ραδιοτηλεσκοπίων, όπως είναι το Δίκτυο (Σειρά) Χαμηλής Συχνότητας (LOFAR) και η Σειρά Τετραγωνικού Χιλιομέτρου (SKA). Αν και οι παρατηρήσεις θα είναι δύσκολες, θα είναι μεγάλο το αποτέλεσμα.

Αυτή η έρευνα θα δημοσιευθεί σε ένα επερχόμενο τεύχος των Physical Review Letters.

O Κοσμικός Μεσαίωνας ή Σκοτεινή Περίοδος, όπως ονομάστηκε από τον Martin Rees, άρχισε ίσως και 300.000 έτη αφότου γεννήθηκε το Σύμπαν κατά 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.