Απολιθωμένος γαλαξίας αποκαλύπτει μυστικά του πρώιμου σύμπαντος - Οι γαλαξίες γεννήθηκαν κατά μήκος κυματισμών που δημιουργήθηκαν μετά το Big Bang - Ο Γαλαξίας μας δεν περιέχει μόνο μια μαύρη τρύπα

Πηγή: Johns Hopkins, 12 Ιανουαρίου 2006

Ένας μικροσκοπικός γαλαξίας έχει δώσει στους αστρονόμους την ευκαιρία να ρίξουν μια ματιά στην εποχή που σχηματίστηκαν τα πρώτα φωτεινά αντικείμενα στο σύμπαν, όταν τελείωσε ο κοσμικός μεσαίωνας που ακολούθησε τη γέννηση του σύμπαντος.

Αστρονόμοι από τη Σουηδία, την Ισπανία και το πανεπιστήμιο Johns Hopkins χρησιμοποίησαν το δορυφόρο υπεριωδών ακτίνων FUSE της NASA για να κάνουν την πρώτη άμεση μέτρηση της ακτινοβολίας ιονισμού που διαρρέει από έναν νάνο γαλαξία ο οποίος υποβάλλεται σε μια έκρηξη σχηματισμού νέων άστρων. Το αποτέλεσμα, το οποίο έχει επιπτώσεις στο να κατανοήσουμε πώς το πρώιμο σύμπαν εξελίχθηκε, θα βοηθήσει τους αστρονόμους να καθορίσουν εάν τα πρώτα άστρα -- ή κάποιος άλλος τύπος αντικειμένου -- τελείωσε την κοσμική σκοτεινή εποχή.

Η ομάδα αυτή παρουσίασε τα αποτελέσματα της στις 12 Ιανουαρίου στη 207η συνεδρίαση της Αμερικανικής Αστρονομικής Ένωσης στην Ουάσιγκτον.

Οι νάνοι γαλαξίες, που θεωρούνται από πολλούς αστρονόμους λείψανα από ένα αρχικό στάδιο του σύμπαντος, είναι μικροί, πολύ εξασθενημένοι γαλαξίες που περιέχουν κατά ένα μεγάλο μέρος αέριο και σχετικά λίγα άστρα. Σύμφωνα με ένα μοντέλο του σχηματισμού των γαλαξιών, πολλοί από αυτούς τους μικρότερους γαλαξίες συγχωνεύτηκαν για να φτιαχτούν οι σημερινοί μεγαλύτεροι. Εάν αυτό ισχύει, όλοι οι νάνοι γαλαξίες που παρατηρούνται τώρα μπορούν να θεωρηθούν ως "απολιθώματα" που κατόρθωσαν να επιζήσουν -- χωρίς σημαντικές αλλαγές -- από μια προηγούμενη περίοδο.

Η ομάδα, με επικεφαλής το Nils Bergvall του Αστρονομικού Παρατηρητήριου της Ουψάλας στη Σουηδία, παρατήρησε έναν μικρό γαλαξία, γνωστό ως Haro 11, ο οποίος βρίσκεται περίπου 281 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά στο νότιο αστερισμό του Γλύπτη. Η ανάλυση των στοιχείων του FUSE παρήγαγε ένα σημαντικό αποτέλεσμα: μεταξύ 4% και 10% της ακτινοβολίας ιονισμού που παράγεται από τα καυτά αστέρια του Haro 11 είναι σε θέση να δραπετεύσει στο διαγαλαξιακό διάστημα.

Ο ιονισμός είναι η διαδικασία κατά την οποία από τα άτομα και τα μόρια φεύγουν ηλεκτρόνια και μετατρέπονται σε θετικά ιόντα. Η ιστορία του επιπέδου ιονισμού είναι σημαντική στην κατανόηση της εξέλιξης των δομών στον αρχικό κόσμο, επειδή καθορίζει την ευκολία που  μπορούν να σχηματιστούν τα αστέρια και οι γαλαξίες, σύμφωνα με τον B-G Andersson,, έναν ερευνητικό επιστήμονα στο τμήμα φυσικής και αστρονομίας στο πανεπιστήμιο Johns Hopkins, και μέλος της ομάδας.

"Όσο πιο ιονισμένο γίνεται ένα αέριο, τόσο λιγότερο αποτελεσματικά μπορεί να ψυχθεί. Το ποσοστό της ψύξης ελέγχει εν συνεχεία την ικανότητα του αερίου να διαμορφωθεί σε πυκνότερες δομές, όπως είναι τα αστέρια και οι γαλαξίες", εξηγεί ο Andersson. Όσο καυτότερο είναι το αέριο, τόσο λιγότερο πιθανόν είναι να διαμορφώσει άλλες δομές,  είπε.

Η ιστορία ιονισμού του σύμπαντος επομένως αποκαλύπτει πότε σχηματίστηκαν τα πρώτα φωτεινά αντικείμενα, και πότε άρχισαν να λάμπουν τα πρώτα αστέρια.

Η Μεγάλη Έκρηξη εμφανίστηκε περίπου πριν 13,7 δισεκατομμύρια έτη. Εκείνη την περίοδο, το σύμπαν βρέφος ήταν πάρα πολύ καυτό για να λάμψει το φως. Η ύλη ήταν ιονισμένη εντελώς: η έννοια του ατόμου δεν υπήρχε, τα ηλεκτρόνια ήταν ξεχωριστά από τους πυρήνες (κυρίως 1 έως 2 πρωτόνια), οι οποίοι σκέδαζαν το φως όπως η ομίχλη. Καθώς όμως το σύμπαν  έπειτα επεκτάθηκε και ψύχθηκε, συνδυάστηκαν τα ηλεκτρόνια με τα πρωτόνια φτιάχνοντας έτσι τα ουδέτερα άτομα μερικών από τα ελαφρύτερα στοιχεία. Η σφραγίδα αυτής της μετάβασης θεωρείται  σήμερα ότι είναι η μικροκυματική κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Ο παρών Κόσμος είναι, εντούτοις, κυρίως ιονισμένος. Οι αστρονόμοι συμφωνούν γενικά ότι αυτός ο επαναϊονισμός εμφανίστηκε μεταξύ 12,5 και 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν σχηματίστηκαν οι πρώτοι μεγάλης κλίμακας γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών. Οι λεπτομέρειες αυτού του ιονισμού είναι ακόμα ασαφείς, αλλά παρουσιάζουν έντονο ενδιαφέρον για τους αστρονόμους που μελετούν αυτές τις αποκαλούμενες σκοτεινές εποχές ή κοσμικός μεσαίωνας του σύμπαντος.

Οι αστρονόμοι είναι αβέβαιοι εάν τα πρώτα αστέρια ή κάποιος άλλος τύπος αντικειμένου αποτελείωσε εκείνες τις σκοτεινές εποχές, αλλά οι παρατηρήσεις του Haro 11 με το δορυφόρο FUSE δίνουν μια ένδειξη.

Οι παρατηρήσεις βοηθούν, επίσης, στο να κατανοήσουμε περισσότερο για το πώς έγινε το σύμπαν. Σύμφωνα με την ομάδα, πιο πολύ συνεισφέρει γι αυτό η έντονη ακτινοβολία που παράγεται όταν η ύλη πέφτει στις αρχέγονες μαύρες τρύπες, που τώρα τις λέμε κβάζαρ και η διαρροή της ακτινοβολίας από τις περιοχές του σχηματισμού των πρώτων αστεριών. Αλλά μέχρι τώρα, δεν είναι διαθέσιμα άμεσα στοιχεία για τη βιωσιμότητα του τελευταίου μηχανισμού.

"Αυτό είναι το πιο πρόσφατο παράδειγμα, όπου η παρατήρηση του FUSE ενός σχετικά κοντινού αντικειμένου έχει σημαντικές απαντήσεις για τις κοσμολογικές ερωτήσεις",  λέει ο Δρ George Sonneborn της NASA, στο Κέντρο Διαστημικής Πτήσης Goddard.

Αυτό το αποτέλεσμα έχει γίνει αποδεκτό για δημοσίευση από το ευρωπαϊκό περιοδικό Αστρονομία και Αστροφυσική.

Οι γαλαξίες γεννήθηκαν κατά μήκος κυματισμών που δημιουργήθηκαν μετά το Big Bang

Σε μια άλλη ανακοίνωση που έγινε στο ίδιο συνέδριο αναφέρθηκε ότι οι μεγαλύτεροι τρισδιάστατοι χάρτες του ορατού σύμπαντος, που έχουν φτιαχτεί μέχρι τώρα, επιβεβαίωσαν ότι οι γαλαξίες σχηματίστηκαν κατά μήκος κοσμικών σχηματισμών που δημιουργήθηκαν μετά αμέσως το Big Bang, πριν 13,7 δισ. χρόνια.

Η ίδια έρευνα επιβεβαίωσε ότι το σύμπαν είναι επίπεδο και ότι η βαρύτητα είναι ο κύριος παράγοντας σχηματισμού των γαλαξιών. Επίσης, επιβεβαιώθηκε ότι η κανονική ύλη αντιστοιχεί στο 18% μόνο του σύμπαντος ενώ το 78% αντιστοιχεί στη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη, που είναι αόρατη στα τηλεσκόπια.

Η ακτινοβολία που εκπέμφθηκε κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, τόνισαν οι επιστήμονες, παρουσιάζει απειροελάχιστες διακυμάνσεις, που δημιούργησαν ηχητικά κύματα τα οποία διέτρεξαν το νεαρό σύμπαν από άκρη σε άκρη. Τα κατάλοιπα αυτής της ακτινοβολίας και των κυματισμών είναι ορατά ακόμα και σήμερα στη Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου.

Η σημερινή κατανομή των γαλαξιών φαίνεται να ακολουθεί ακριβώς το πρότυπο των κυματισμών, όπως διαπίστωσαν οι αστροφυσικοί.

Οι γαλαξίες τείνουν να συγκεντρώνονται σε γραμμικούς σχηματισμούς σαν κορδόνια, οι οποίοι απέχουν μεταξύ τους 500 εκατομμύρια έτη φωτός όση και η απόσταση μεταξύ των κοσμικών κυμάτων. Τα ηχητικά κύματα, δηλαδή, έχουν αφήσει τα αποτυπώματα τους στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, το κατάλοιπο της ακτινοβολίας της Μεγάλης Έκρηξης πριν 370.000 χρόνια περίπου.

Ο Γαλαξίας μας δεν περιέχει μόνο μια μαύρη τρύπα

Αμερικανοί ερευνητές από το πανεπιστήμιο του Λος Άντζελες χρησιμοποιώντας το διαστημικό παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων X, ανακοίνωσαν ότι ο Γαλαξίας μας πράγματι δεν περιέχει μόνο μία μαύρη τρύπα, αλλά περισσότερες. Σύμφωνα με αυτούς στο κέντρο του Γαλαξία κυριαρχεί μια γιγάντια μαύρη τρύπα με μάζα που ισοδυναμεί με 3 εκατομμύρια ήλιους. Κοντά της όμως έχει κι άλλες 7 μικρότερες μαύρες τρύπες για συντροφιά, με μάζα λίγο ή περισσότερο μεγαλύτερη από αυτή του ήλιου μας.

Οι ερευνητές κατάφεραν να αναγνωρίσουν τις μαύρες τρύπες, που βρίσκονται στο κέντρο του Γαλαξία, να κινούνται αργά προς το κέντρο και κάποια στιγμή προφανώς θα απορροφηθούν από τη γιγάντια μαύρη τρύπα.

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).