Σκιές του Κοσμικού Μεσαίωνα

Από το NewScientist, 20 Μαΐου 2004

Οι πρώτες-πρώτες δομές στο Σύμπαν μπορεί να είναι ορατές από τις 'σκιές'  τους, που βρίσκονται μέσα στο λυκόφως του Big Bang, την μικροκυματική κοσμική ακτινοβολία.(Loeb et al paper)

Τα αντικείμενα αυτά ήταν κρυμμένα μέχρι τώρα, επειδή σχηματίστηκαν στον Κοσμικό Μεσαίωνα του σύμπαντος προτού 'ανάψουν' τα πρώτα αστέρια. "Οι σκιές υπόσχονται να δώσουν την πλουσιότερη πηγή πληροφοριών για τον πρώιμο Κόσμο, που έχει δοθεί", λέει ο αστροφυσικός Abraham Loeb του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ.

Ο Κοσμικός Μεσαίωνας, η σκοτεινή εποχή του σύμπαντος, άρχισε 1.000.000 χρόνια μετά το Big Bang και τελείωσε την εποχή που άρχισαν να σχηματίζονται τα πρώτα άστρα, ενώ τότε ξεκίνησε να επαναϊονίζεται το διαγαλαξιακό αέριο - κάπου 100 εκατ. χρόνια μετά το Big Bang. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, τεράστια νέφη υδρογόνου σχημάτισαν δομές που έγιναν τελικά  τα σημερινά αστέρια και γαλαξίες.

Οι αστρονόμοι ενώ επιθυμούσαν να καταλάβουν αυτήν την διαδικασία του σχηματισμού των δομών, λόγω όμως της έλλειψης φωτός από αυτή την περίοδο, η περίοδος αυτή τους φαινόταν αδιαπέραστη - μέχρι τώρα.

Ο Loeb και ο συνάδελφος του Matias Zaldarriaga του Χάρβαρντ σκέφτονται ότι το αέριο υδρογόνου θα πρέπει να έχει απορροφήσει την ακτινοβολία που έμεινε από το Big Bang. Και αυτή η απορρόφηση θα είχε δημιουργήσει 'σκιές' που οι αστρονόμοι θα πρέπει να είναι σε θέση σήμερα να δουν. Το φαινόμενο είναι παρόμοιο με αυτό ενός νέφους, που κρύβει τον ήλιο και που ρίχνει σκιές στο έδαφος.

Τεράστια διαστολή

Το ουδέτερο αέριο υδρογόνου απορροφά τα ραδιοκύματα σε ένα χαρακτηριστικό μήκος κύματος 21 εκατοστών. Εντούτοις, η τεράστια διαστολή του σύμπαντος από την εποχή του Κοσμικού Μεσαίωνα θα έχει 'μετατοπίσει' το μήκος κύματος δεκάδες ή εκατοντάδες φορές. Οι Loeb και Zaldarriaga επομένως υποστηρίζουν ότι πρέπει να ψάξουμε για τις σκιές σε μήκη κύματος δεκάδων μέτρων, στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων του φάσματος και την οποία οι αστρονόμοι έχουν αγνοήσει κατά ένα μεγάλο μέρος.

Αλλά η ανίχνευση αυτών των σκιών συνιστά μια τρομερή πρόκληση. Οι Loeb και Zaldarriaga προβλέπουν ότι η απορρόφηση θα παράγει μια χαρακτηριστική μείωση της θερμοκρασίας κατά ένα  μόνο χιλιοστό του Kelvin. Πάντως, λένε ότι το ραδιοτηλεσκόπιο LOFAR, που θα λειτουργήσει στην Ολλανδία το 2006, μπορεί να δει ένα τέτοιο φαινόμενο μετά από ένα έτος παρατηρήσεων.

"Προσδοκούμε ότι θα είναι σε θέση να λάβει σήματα της τάξεως των 10 χιλιοστών του Kelvin, πιθανώς για εκατοντάδες ώρες παρατήρησης", λέει ο ειδικός ραδιοαστρονόμος David Hough του Πανεπιστημίου Trinity στο San Antonio του Τέξας. "Είναι έτσι δυνατόν να φτάσει σε θερμοκρασία 1 mK  - αν και δεν ξέρω εάν η ομάδα LOFAR θα ήθελε να παραχωρήσει ένα έτος παρατηρήσεων σε ένα μόνο πρόγραμμα".

Επίσης, προγραμματίζονται κι άλλα πειράματα, συμπεριλαμβανομένων και στο διάστημα - για να αποφύγουν τα επίγεια παράσιτα - για να πάρουν σήμα μέσα στην επόμενη δεκαετία. Αλλά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να είναι δραματικά", λένε οι Loeb και Zaldarriaga.

Οι 'σκιές' περιέχουν πολλές πληροφορίες όχι μόνο για το πώς σχηματίστηκαν τα πρώτα κοσμικά αντικείμενα στο σύμπαν, αλλά και για τα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου του σύμπαντος μετά το Big Bang.

Ο Κοσμικός Μεσαίωνας όπως ονομάστηκε από τον Martin Rees

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.

Μετά από την εποχή αυτή η θερμοκρασία είχε πέσει γύρω στους 10⁴ βαθμούς Κέλβιν και η μέση ενέργεια γύρω στο 1 eV, κάτω από το δυναμικό ιονισμού των ατόμων. Βρήκαν λοιπόν την ευκαιρία και δημιουργήθηκαν ουδέτερα άτομα υδρογόνου και ηλίου.

Τα φωτόνια δεν εμποδίζονταν πια από τις συχνές αλληλεπιδράσεις με την ύλη (συζεύχθηκαν με φορτισμένα σωματίδια), και το σύμπαν, που μέχρι τότε ήταν αδιαφανές στα φωτόνια, έγινε διαφανές. Δηλαδή, μέχρι τότε 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).

Η επικρατούσα μορφή ενέργειας μετά απ' αυτό ήταν η μάζα (που περιείχε και σκοτεινή ύλη, η φύση της οποίας δεν έχει ακόμα εξακριβωθεί), ενώ στην προηγούμενη φάση ήταν η ακτινοβολία.

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).