Επιβλέποντας το σύμπαν

Πηγή: astronomy.com, 17 Ιουνίου 2005

Πότε το σύμπαν επαναϊοντίσθηκε; Τα παλαιότερα άστρα του Γαλαξία μπορούν να δώσουν την απάντηση

Εάν το σύμπαν έχει μια μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) 15, τότε πρέπει να έχει δημιουργήσει συμπαγείς αστρικούς φωτοστεφάνους (άλως) όπως στην αριστερή εικόνα. Αλλά εάν το σύμπαν επαναϊοντίσθηκε αργότερα, με ένα redshift 6, οι αστρικοί φωτοστέφανοι πρέπει να είναι πιο διάχυτοι (δεξιά εικόνα). Ο σημερινός αστρικός φωτοστέφανος του Γαλαξία μας ταιριάζει με το αριστερό πρότυπο, που προτείνει ότι ο επαναϊονισμός του σύμπαντος έγινε περίπου 260 εκατομμύρια έτη μετά από το Big Bang. (Astrophysical Journal Letters/Kenji Bekki and Masashi Chiba).

Η εποχή που έγινε ο επαναϊονισμός του σύμπαντος άφησε το σημάδι του στον κεντρικό φωτοστέφανο (άλως) του Γαλαξία, λένε αστρονόμοι στην Αυστραλία και την Ιαπωνία. Όσο πιο σύντομα έγινε αυτός ο επαναϊονισμός, τόσο πιο συμπαγής πρέπει να είναι η άλως του Γαλαξία μας.

Στην πρώτη περίοδο της ζωής του, το σύμπαν δεν ήταν ιοντισμένο: Είχε ψυχθεί από την εποχή του Big Bang, και το υδρογόνο και το ήλιο του είχαν ενωθεί πλήρως με τα ηλεκτρόνια τους. Αργότερα, τα πρώτα άστρα και τα κβάζαρ άρχισαν να λάμπουν απομακρύνοντας τα ηλεκτρόνια από το υδρογόνο και το ήλιο (εποχή επαναϊονισμού). Εντούτοις, η ακριβής εποχή αυτού του επαναϊονισμού είναι άγνωστη. Μπορεί να είχε εμφανιστεί όταν το redshift ήταν 30, μέγεθος που αντιστοιχεί σε μια εποχή 100 εκατομμύρια έτη ακριβώς μετά από το Big Bang. Ή, μπορεί να είχε εμφανιστεί πολύ αργά, που αντιστοιχεί σε ένα redshift z=6, όταν το σύμπαν ήταν 900 εκατομμυρίων ετών.

Όσο πιο μεγάλη είναι η ερυθρή μετατόπιση z ή redshift τόσο πιο παλιά είναι η εποχή που αναφερόμαστε.

Πρόσφατα, ο Kenji Bekki του Πανεπιστημίου της Νότιας Νέας Ουαλίας στο Σύδνεϋ, και ο Masashi Chiba του πανεπιστημίου Tohoku στην Ιαπωνία, έχουν προτείνει έναν τρόπο για να βρεθεί πότε εμφανίστηκε ο επαναϊονισμός. Ανάλογα με τη συγκέντρωση της άλως, του αστρικού κεντρικού φωτοστέφανου του Γαλαξία μας.

Και αυτό γιατί ο αστρικός φωτοστέφανος περιέχει τον παλαιότερο πληθυσμό αστεριών του Γαλαξία. Τα πιο λαμπρά μέλη του είναι σφαιρωτά σμήνη άστρων φτωχά σε σίδηρο. Εντούτοις, μεμονωμένα αστέρια του φωτοστεφάνου - όπως το άστρο Kapteyn στο Pictor, και το Groombridge 1830 στην Μεγάλη Άρκτο - ξεπερνούν κατά πολύ τα αστέρια των σμηνών. Αν και ο αστρικός φωτοστέφανος περιτυλίσσει το δίσκο του Γαλαξία, τα περισσότερα αστέρια και σμήνη της άλως βρίσκονται πιο κοντά στο κέντρο του γαλαξία από ότι ο ήλιος.

Σύμφωνα με τους Bekki και Chiba, αυτή η συγκέντρωση είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα της εποχής όταν το σύμπαν επαναϊοντίστηκε. Οι δύο επιστήμονες έκαναν προσομοιώσεις ενός αναπτυσσόμενου γαλαξία καθώς αυτός φτιαχνόταν από μικρά τμήματα. Όσο πιο γρήγορα συνέβη ο επαναϊονισμός, τόσο πιο σύντομα τα τμήματα του γαλαξία σταμάτησαν τον σχηματισμό των αστεριών. Κι αυτό επειδή ένα ιοντισμένο σύμπαν επιτρέπει στην άκρα υπεριώδη ακτινοβολία να διαπεράσει, καταστρέφοντας έτσι το ψυχρό μοριακό αέριο που γεννά νέα αστέρια.

Τα άστρα σχηματίστηκαν πρώτα στο πυκνότερο τμήμα αυτών των συγκεντρώσεων αερίου και σκόνης. Εάν ο επαναϊονισμός εμφανίστηκε νωρίς, τότε τα άστρα σχηματίστηκαν μόνο στις πυκνότερες συγκεντρώσεις της μάζας, προτού να σταματήσει ο σχηματισμός των άστρων. Αυτές οι συγκεντρώσεις της μάζας συγχωνεύτηκαν κατόπιν για να σχηματίσουν έναν αστρικό φωτοστέφανο. Από την άλλη οι μικρότερες συγκεντρώσεις μάζας ενώθηκαν με το γαλαξία αργότερα. Αυτές πρόσθεσαν υλικό στο εξωτερικό μέρος του αστρικού φωτοστεφάνου.

Άστρα από αυτές τις μικρότερες συγκεντρώσεις μάζας, εάν ήταν παρόντα, θα είχαν αφήσει σημάδια στον αστρικό φωτοστέφανο. Αλλά εάν ο επαναϊονισμός εμφανίστηκε νωρίς, τότε αυτοί οι αργοπορημένοι θα έμεναν άναστροι και δεν θα άλλαζαν τη μεγάλη συγκέντρωση του αστρικού φωτοστεφάνου.

Οι αστρονόμοι λένε ότι ο σημερινός αστρικός φωτοστέφανος του Γαλαξία ταιριάζει με το μοντέλο τους, στο οποίο ο επαναϊονισμός εμφανίστηκε με ένα redshift 15. Αυτό αντιστοιχεί σε μια εποχή 260 εκατομμύρια έτη μετά από το Big Bang. Ειδικότερα, αυτό το μοντέλο παράγει έναν αστρικό φωτοστέφανο η πυκνότητα του οποίου μεταβάλλεται ανάλογα με το R-3,5, όπου το R είναι η απόσταση από το κέντρο του Γαλαξία. Με άλλα λόγια, η εξίσωση λέει ότι ο αριθμός των άστρων του φωτοστεφάνου ανά όγκο κοντά στον Ήλιο είναι μόνο 8,8 τοις εκατό αυτού που είναι στη μισή απόσταση του ήλιου από το γαλαξιακό κέντρο. Σημειώνουν δε ότι αυτή η σχέση διατηρείται σε όλο τον αστρικό φωτοστέφανο του Γαλαξία.

Οι Bekki και Chiba προτείνουν ότι οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τα μεγάλα επίγεια τηλεσκόπια, όπως το Subaru στη Χαβάη, για να παρατηρήσουν τους αστρικούς φωτοστεφάνους άλλων γιγαντιαίων σπειροειδών γαλαξιών. Αυτές οι παρατηρήσεις πρέπει να προσδορίσουν με ακρίβεια την εποχή του επαναϊονισμού.

Ήταν τότε που ξαφνικά άρχισαν τα πρώτα αστέρια να λάμπουν διαπερνώντας την εναπομείνουσα αρχέγονη ομίχλη. Απομεινάρια της ακτινοβολίας αυτής αποτελεί η Μικροκυματική Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου που ανιχνεύτηκε πριν λίγες δεκαετίες.