Το πρόγραμμα SWIRE για τη μελέτη του αρχικού σύμπαντος

Πηγή: RedNova, 28 Οκτωβρίου 2005

Σήμερα, ένα μεγάλο μέρος της ύλης του Κόσμου φαίνεται να είναι οργανωμένη, σαν αστέρια, ηλιακά συστήματα, γαλαξίες, και σμήνη γαλαξιών, που είναι γνωστές όψεις του τοπικού κόσμου μας. Εντούτοις, δεν ήταν πάντα έτσι τα πράγματα. Με τη χρήση του διαστημικού τηλεσκοπίου Spitzer θα πραγματοποιηθεί μια έρευνα του ουρανού σε εκτενείς ζώνες, η ομάδα SWIRE ελπίζει να εξηγήσει με ποιο τρόπο εξελίχθηκαν οι ώριμοι κοντινοί μας γαλαξίες από τις στοιχειώδεις συμπαγείς μάζες  του πρόωρου σύμπαντος.

Σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, ο Κόσμος δημιουργήθηκε πριν περίπου 13,7 δισεκατομμύρια έτη όταν εξερράγη ένα μοναδικό σημείο, εξαπολύοντας ενέργεια και δημιουργώντας τον ιστό του χωρόχρονου. Οι γαλαξίες δεν υπήρχαν σε αυτόν τον αρχέγονο κόσμο και οι ακραίες θερμοκρασίες διατηρούσαν την ύλη από το να συμπυκνωθεί.

Καθώς όμως το σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια που δημιουργήθηκαν από αυτήν την πρώιμη έντονη ενέργεια, προετοίμαζαν το έδαφος για το σχηματισμό των στοιχείων: υδρογόνο και ήλιο και τα λοιπά στοιχεία. Σε αυτό το σημείο, η έλξη της βαρύτητας παρήγαγε κάπως μεγάλες συγκεντρώσεις στοιχείων, που οδήγησαν τελικά στη δημιουργία των γαλαξιών και άλλων κοσμικών δομών.

Με τη χρησιμοποίηση του διαστημικού τηλεσκοπίου Spitzer θα πραγματοποιηθεί μια έρευνα ουρανού, την Υπέρυθρη Εξωγαλαξιακή Έρευνα Εκτενών Ζωνών του Spitzer (SWIRE), ελπίζοντας να εξηγήσει πώς οι ώριμοι κοντινοί γαλαξίες εξελίχθηκαν από αυτές τις συμπαγείς μάζες των στοιχείων του πρόωρου σύμπαντος.

Σύμφωνα με τον επιστήμονα του SWIRE Δρ Jason Surace, το τηλεσκόπιο Spitzer είναι βασικό όργανο για τη μελέτη της εξέλιξης των γαλαξιών, επειδή η πρωτοφανής υπέρυθρη ευαισθησία του, επιτρέπει στους αστρονόμους να ανυψώσουν το 'σκονισμένο πέπλο' που τυλίγει τα νήπια αστέρια και να αποκτήσουν πολύτιμες γνώσεις στη διαδικασία του σχηματισμού των αστεριών.

Ο Surace εξηγεί ότι με τον Spitzer μπορούμε να κάνουμε μετρήσεις για τον αριθμό των άστρων που σχηματίζονται στους γαλαξίες, όπως και το πόσο γρήγορα θερμαίνεται η διαστρική σκόνη.

Η ταχεία θέρμανση της σκόνης είναι σημαντική επειδή προσφέρει στους αστρονόμους το πρώτο παράθυρο στη διαδικασία του σχηματισμού των αστεριών. Στα πολύ πρώιμα στάδια του σχηματισμού των αστεριών, πολύ πριν αρχίσουν τα αστέρια να λάμπουν και να γίνονται ορατά, εκπέμπεται θερμότητα καθώς το αέριο και η σκόνη συσταλούν για να διαμορφωθεί ένα άστρο. Αυτή λοιπόν η θερμότητα ακτινοβολείται στο εγγύς υπέρυθρο και μπορεί εύκολα να ανιχνευθεί από το ειδικό φωτόμετρο πολλαπλής ζώνης του Spitzer (MIPS).

Χρησιμοποιώντας την διάταξη υπέρυθρης κάμερας του τηλεσκοπίου (IRAC) η ομάδα μπορεί να παρατηρήσει την ιστορία του σχηματισμού αστεριών στους γαλαξίες, με τη μελέτη των παλαιότερων αστεριών που αποτελούν το σκελετό της δομής.

"Με τη σύγκριση του ρυθμού σχηματισμού αστεριών με τα δεδομένα της μετατόπισης προς το ερυθρό (redshift) από τα οπτικά τηλεσκόπια, μαθαίνουμε πολλά για τους γαλαξίες", λέει ο Surace.

Βεβαίωση της εξέλιξης των γαλαξιών

Λόγω της φύσης του ταξιδιού του φωτός, η απόσταση είναι ισοδύναμη με τον χρόνο στο διάστημα. Με άλλα λόγια, όσο μακρύτερα είναι το αντικείμενο από τη Γη, τόσο περισσότερο χρόνο θέλει το φως να ταξιδέψει ως τη Γη, κατά συνέπεια όταν παρατηρούμε αντικείμενα που είναι 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, ουσιαστικά παρατηρούμε ένα στιγμιότυπο όπως ήταν το αντικείμενο πριν 10 δισεκατομμύρια έτη.

Η κύρια ερευνήτρια του προγράμματος SWIRE η Δρ Carol Lonsdale τονίζει ότι οι ανιχνεύσεις αυτές των εκτενών ζωνών είναι ουσιαστικές στην έρευνα του SWIRE ακριβώς για αυτόν τον λόγο. Όσο ευρύτερη είναι η έρευνα, τόση περισσότερη είναι η απόσταση και ο χρόνος που καλύπτονται.

"Η έρευνα αυτή μας επιτρέπει να δούμε διαφορετικούς τύπους γαλαξιών σε πολύ μεγάλες αποστάσεις και σε μεγάλης κλίμακας δομές, όπως τα σμήνη των γαλαξιών", λέει η Lonsdale. Και σε αυτό συμφωνεί ο Δρ Thomas Jarrett, που εργάζεται στο πρόγραμμα SWIRE.

Στην περίπτωση του SWIRE, κάθε επιστήμονας παρατηρεί ποικίλους γαλαξίες σε διαφορετικές αποστάσεις, ή χρόνους στην ιστορία του σύμπαντος. Μετά από προσεκτική ανάλυση, οι αστρονόμοι συνδέουν τις πληροφορίες τους για να λύσουν μυστήρια, όπως πώς εξελίχθηκαν οι γαλαξίες καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του σύμπαντος. Παραδείγματος χάριν, ως μέλος της ομάδας ο Jarrett μελετά τον τοπικό Κόσμο, ή τους γαλαξίες που είναι εκατομμύρια έτη φωτός μακριά "μόνο" .

Εν τω μεταξύ, η Carol Lonsdale όπως και ο Surace ερευνούν γαλαξίες δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας. Έπειτα οι Jarrett, Lonsdale, Surace, και άλλα μέλη της ομάδας προσπαθούν να συνδέσουν τα στοιχεία τους για να λύσουν το μυστήριο για το πώς θα εξελιχθούν οι σύγχρονοι γαλαξίες. Ο τελευταίος στόχος τους είναι να χρησιμοποιήσουν τις παρατηρήσεις των απόμακρων γαλαξιών για να εξηγήσουν τις συμπεριφορές των τοπικών γαλαξιών.

"Το όφελος με τον τοπικό κόσμο είναι ότι μπορείτε να δείτε πραγματικά τις δομικές λεπτομέρειες των κοντινών γαλαξιών, παραδείγματος χάριν, πώς θα κινηθούν οι βραχίονες των σπειρών, οι πυρήνες, και οι γιγαντιαίες περιοχές σχηματισμού των αστεριών", τονίζει η Jarrett.

Λόγω των σημερινών τεχνολογικών περιορισμών, οι γαλαξίες στον απόμακρο Κόσμο μπορούν να ανιχνευθούν ως μια συγκεχυμένη λάμψη μόνο. Παρά ταύτα, η πρωτοφανής ευαισθησία του Spitzer επιτρέπει στο τηλεσκόπιο να πάρει τις εικόνες των κοντινών γαλαξιών με λεπτομέρεια. Ενώ οι συγκεχυμένοι απόμακροι γαλαξίες μπορούν να μην παρέχουν στους επιστήμονες λεπτομερείς εικόνες της γαλαξιακής συμπεριφοράς στον πρόωρο Κόσμο, αυτές οι ιδιότητες μπορούν να προκύψουν από τις παρατηρήσεις στον τοπικό Κόσμο. Ένα πρωταρχικό παράδειγμα αυτού του είδους είναι των δύο γαλαξιών Tadpole, που είναι σε απόσταση μόνο 400 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη, ένα παράδειγμα μιας θεαματικής βαρυτικής αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο γαλαξιών.

Αν και οι αστρονόμοι αναγνωρίζουν ότι οι γαλαξίες που αλληλεπιδρούν, ή οι συγκρουόμενοι γαλαξίες, είναι λιγότερο συχνά περιστατικά στον τοπικό κόσμο, θεωρούν ότι ήταν ένα αρκετά κοινό φαινόμενο στο αρχικό σύμπαν. Τοπικά, οι γαλαξίες είναι λιγότερο πιθανό να συγκρουστούν επειδή όσο περνά ο χρόνος,  ο κόσμος έχει διασταλεί και έχει αυξηθεί η απόσταση μεταξύ των γαλαξιών.

Επειδή η χαμηλή ανάλυση της εικόνας του Spitzer για τους γαλαξίες που απέχουν δισεκατομμύρια έτη φωτός, φέρνει δυσκολία στους επιστήμονες να διακρίνουν τις λεπτομέρειες των πρώιμων αλληλεπιδράσεων των γαλαξιών, η λεπτομερής εικόνα της σύγκρουσης των γαλαξιών Tadpole δίνει ένα παράδειγμα για το πως μπορεί να έμοιαζαν οι πρώιμες γαλαξιακές συγκρούσεις, και πώς αυτό το φαινόμενο βοήθησε τους γαλαξίες να εξελιχθούν στους κανονικούς γαλαξίες που παρατηρούνται στον τοπικό κόσμο.

Επίσης, οι επιστήμονες αναμένουν να πάρουν πληροφορίες για τους αστεροειδείς, τον σχηματισμό των πλανητών ή των πρωτοπλανητικών δίσκων, και τέλος τον σχηματισμό των αστεριών.

Μέχρι το τέλος αυτού του προγράμματος, το SWIRE θα παραγάγει έναν κατάλογο με δύο έως τρία εκατομμύρια γαλαξίες.

Το πρόγραμμα SWIRE, είναι ο διάδοχος του WIRE της NASA.  Τον Μάρτιο του 1999, ακριβώς μερικές ημέρες μετά την εκτόξευση του διαστημικού παρατηρητηρίου WIRE - για μια τετράμηνη αποστολή - το τηλεσκόπιο κηρύχτηκε νεκρό λόγω μιας τεχνικής δυσλειτουργίας που ανάγκασε το διαστημικό σκάφος να βγάλει την προστατευτική κάλυψή του. Έτσι, αυτή η δυσλειτουργία προκάλεσε την τήξη και εξάτμιση του πάγου του υδρογόνου, που θα κρατούσε το τηλεσκόπιο σε μια θερμοκρασία 13 Κέλβιν, κάνοντας άχρηστο το τηλεσκόπιο.

"Όταν η αποστολή του WIRE τελείωσε πρόωρα, συνειδητοποιήσαμε ότι θα μπορούσαμε να κάνουμε τις τεχνικές παρατηρήσεις μας με το Spitzer", λέει ο Surace. "Έτσι,  το πρόγραμμα SWIRE προήλθε από την αποτυχημένη αποστολή του WIRE και το SWIRE κληρονόμησε την επιστημονική ομάδα του από το WIRE μαζί με πολλούς ειδικούς ιδιαίτερα από την Ευρώπη."