Ο πιο απόμακρος γαλαξίας δίνει ενδείξεις για το πρώιμο Σύμπαν

Πηγή: Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Santa Cruz, 13 Σεπτεμβρίου 2006

Επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι έχουν ανακαλύψει τον πιο απόμακρο γαλαξία που βρέθηκε μέχρι τώρα, σχεδόν 13 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Είναι μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να βοηθήσει στο να εξηγηθεί πώς σχηματίστηκαν τα αστέρια στην αυγή του χρόνου.

Ο γαλαξίας, που ονομάζεται IOK-1, είναι τόσο μακριά που τα φωτεινά κύματα που έφθασαν στη Γη τον περιγράφουν σαν το σύστημα των άστρων που σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πριν 13,66 δισεκατομμύρια έτη.

Οι αστρονόμοι Rychard Bouwens και Garth Illingworth στο πανεπιστήμιο της Santa Cruz στην Καλιφόρνια, χρησιμοποίησαν το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble για να ερευνήσουν το σχηματισμό των γαλαξιών κατά τη διάρκεια των πρώτων 900 εκατομμυρίων ετών μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Οι βαθιές παρατηρήσεις του Hubble σε τρία σκοτεινά μέρη του ουρανού -- ανάμεσα στα οποία ήταν και το Εξαιρετικά Βαθύ Πεδίο Hubble -- συνέλεξαν το εξασθενημένο φως που εκπέμφθηκε πριν 13 δισεκατομμύρια έτη από τα αστέρια μέσα στους αρχέγονους γαλαξίες. Και εκεί μόνο οι φωτεινότεροι γαλαξίες θα μπορούσαν να ανιχνευθούν σε τέτοιες μεγάλες αποστάσεις.

Ας σημειωθεί ότι ενώ τα πρώτα άστρα γεννήθηκαν 150-200 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, οι πρώτοι γαλαξίες γεννήθηκαν κάπου 400 εκατομμύρια έτη μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά η παρατήρηση τους δεν μπορεί να γίνει με τα σημερινά τηλεσκόπια. Περιμένουμε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Νέας Γενιάς που θα τεθεί σε λειτουργία το 2013. Η πρώτη γενιά εκείνων των άστρων είχε μεγάλη μάζα και ζούσε πολύ λίγο. Η μάζα τους σε γενικές γραμμές ήταν 300 φορές τη μάζα του ήλιου μας, ενώ η ζωή τους κρατούσε μόνο 3 εκατομμύρια χρόνια. Για σύγκριση ο ήλιος μας αναμένεται να ζήσει συνολικά κάπου 10 δισεκατομμύρια χρόνια.

Οι ερευνητές παρατήρησαν εκατοντάδες λαμπρών γαλαξιών περίπου 900 εκατομμύρια έτη μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά όταν έψαξαν βαθύτερα - και φυσικά για παλαιότερους γαλαξίες - περίπου 200 εκατομμύρια έτη νωρίτερα, βρήκαν μόνο ένα αντικείμενο, που είναι σίγουρα γαλαξίας. Έτσι, σαφώς κατά τη διάρκεια αυτών των 200 εκατομμυρίων ετών πραγματοποιήθηκαν πολλές αλλαγές.

Δηλαδή, οι μεγαλύτεροι και πιο φωτεινοί γαλαξίες δεν υπήρχαν 700 εκατομμύρια έτη μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Ύστερα από 200 εκατομμύρια έτη υπήρχαν πολλοί περισσότεροι γαλαξίες, κάτι που δείχνει ότι πρέπει να έχουν γίνει πολλές συγχωνεύσεις των μικρότερων γαλαξιών κατά τη διάρκεια εκείνης της εποχής. Κι αυτό γιατί λόγω της μικρής απόστασης που χώριζε εκείνους τους γαλαξίες οι βαρυτικές δυνάμεις ήταν έντονες, που τους ανάγκαζαν να πλησιάζουν τόσο μέχρι να συγκρουστούν και να σχηματίσουν ένα ενιαίο γαλαξία. Συγχρόνως, η σύγκρουση αυτή γεννούσε πολλά νέα άστρα λόγω της αλληλεπίδρασης μεγάλων ποσοτήτων ενδογαλαξιακού αερίου.

Οι γαλαξίες που παρατηρήθηκαν στην έρευνα ήταν πολύ μικρότεροι από τον Γαλαξία μας ή άλλους γιγάντιους γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα στην κοσμική γειτονιά μας.  Αυτοί οι πρώιμοι γαλαξίες ήταν επίσης σε ένα στάδιο όπου σχηματίζονταν πάρα πολλά άστρα, εκπέμποντας ως εκ τούτου ένα γαλαζωπό φως, το οποίο όμως μετατοπίστηκε προς το ερυθρό κατά τη διάρκεια του ταξιδιού του, κάπου 13 δισεκατομμύρια έτη προς τους ευαίσθητους ανιχνευτές του Hubble.

Εκείνη η περίοδος, που είναι γνωστή στους αστρονόμους ως Κοσμικός Μεσαίωνας, ήταν αυτή στην οποία σχηματίστηκαν τα πρώτα άστρα και οι γαλαξίες από τα στοιχειώδη σωματίδια. Οι επιστήμονες μέχρι τώρα ήταν ανίκανοι να παρατηρήσουν άμεσα εκείνο το χρονικό διάστημα.

Ιάπωνες αστρονόμοι που εργάζονται στο Τηλεσκόπιο Subaru στη Χαβάη, ανέπτυξαν ένα φίλτρο για να πάρουν το φως, που το μήκος κύματος του έχει μετατοπιστεί κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών προς το ερυθρό άκρο του φάσματος λόγω της διαστολής του σύμπαντος.

Οι αστρονόμοι μπορούν να βρουν πότε εκπέμφθηκε το φως από μια απόμακρη πηγή με τη βοήθεια της μετατόπισης του μήκους κύματος προς το ερυθρό ή redshift. Η τελευταία είναι ένα μέτρο για το πώς η διαστολή του σύμπαντος 'επιμήκυνε' τα μήκη κύματος του φωτός καθώς αυτό ταξίδευε μέσω του διαστήματος σε απέραντες αποστάσεις.

Οι ερευνητές σύγκριναν τον αριθμό των γαλαξιών που ανίχνευσαν με το redshift να είναι ανάμεσα στο 7 με 8 (700 εκατ. χρόνια μετά το Big Bang) με αυτό που ανέμεναν να βρουν αν ο πληθυσμός των γαλαξιών ήταν όπως ο πληθυσμός που είχαν παρατηρήσει με το redshift να είναι 6 (200 εκατομμύρια χρόνια αργότερα). Ανάλογα δε με την αυστηρότητα των κριτηρίων επιλογής τους, βρήκαν έναν μόνο γαλαξία εκεί όπου θα περίμεναν 10, ή 4 εκεί όπου θα ανέμεναν 17.

Οι επιστήμονες, τα συμπεράσματα των οποίων θα δημοσιευθούν στο περιοδικό Nature, είπαν ότι ενέμεναν να βρουν τουλάχιστον έξι γαλαξίες παρόμοιους με τον IOK-1 σε μια απόσταση 12,88 δισεκατομμύρια έτη φωτός - ένα έτος φωτός είναι η απόσταση που ταξιδεύει το φως σε ένα έτος, περίπου 10 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα.

Αντίθετα βρήκαν μόνο ένα αντικείμενο που θα μπορούσε να προσδιοριστεί ότι είναι γαλαξίας, ένα γεγονός που τους οδηγεί να πιστέψουν ότι είναι αυτόπτες μάρτυρες μια διαδικασίας γνωστής ως επαναϊονισμός, όταν δηλαδή φτιάχτηκαν τα πρώτα αστέρια από τα ελεύθερα άτομα υδρογόνου μέσα στο διαφανές αέριο του πλάσματος, που πληροί ένα μεγάλο μέρος του σύμπαντος σήμερα.

Σύμφωνα με αυτήν την πιο πιθανή θεωρία το φως από άλλους παλαιούς γαλαξίες που δεν φαίνονται εμποδίζεται να φτάσει σε μας. Ο λόγος είναι ότι είναι τυλιγμένοι από ένα αδιαφανές νέφος ουδέτερου υδρογόνου. Οι γαλαξίες που δημιουργήθηκαν αργότερα είναι ορατοί επειδή μεσολάβησε ο επαναϊονισμός του Σύμπαντος, δηλαδή τη μετατροπή του ουδέτερου υδρογόνου σε πλάσμα από τα ίδια τα άστρα.

Μια άλλη δεύτερη θεωρία υποστηρίζει ότι υπήρχαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου λίγοι γαλαξίες, κάπου 780 εκατομμύρια έτη μετά από το Big Bang ή πριν από 12,88 δισ. χρόνια. Κι αυτό θα σήμαινε ότι ο επαναϊονισμός είχε ήδη πραγματοποιηθεί και ολοκληρωθεί νωρίτερα και ότι το Σύμπαν ήταν ήδη διαφανές.

Είτε έτσι είτε αλλιώς, αυτό δείχνει ότι το σύμπαν άλλαξε δραστικά στα 60 εκατομμύρια έτη που χωρίζουν τον IOK-1 και τους επόμενους παλαιότερους γαλαξίες που έχουν παρατηρηθεί στη γη, είπαν οι αστρονόμοι.

Οι επιστήμονες βρήκαν κι ένα άλλο αντικείμενο παρόμοιο με το IOK-1, αλλά δεν μπορούν να πουν εάν ήταν ένας απόμακρος γαλαξίας ή κάτι άλλο πχ μια μαύρη τρύπα.

Τι είναι ο επαναϊονισμός;

Στην κοσμολογία του Big Bang, ο επαναϊονισμός είναι η διαδικασία που η ύλη στον Κόσμο ιονίζεται (φεύγουν τα ηλεκτρόνια από τα άτομα του υδρογόνου) μετά την εποχή του σχηματισμού των γαλαξιών. Είναι η δεύτερη μεταξύ δύο σημαντικών αλλαγών φάσης του αερίου υδρογόνου στο Σύμπαν.

Η πρώτη φάση αλλαγής του υδρογόνου είναι ο επανασυνδυασμός (τα ηλεκτρόνια συνδέονται με τα πρωτόνια), που συμβαίνει σε μια εποχή 380.000 χρόνια μετά από το Big Bang (το redshift z ήταν τότε 1.100). Στην εποχή εκείνη το σύμπαν ψύχθηκε - λόγω της διαστολής του - σε μια τέτοια θερμοκρασία που ο ρυθμός επανασυνδυασμού του υδρογόνου ήταν μεγαλύτερος από τον ρυθμό ιονισμού (ο ρυθμός ιονισμού αυξάνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας), επιτρέποντας έτσι στα πρωτόνια να συνδυαστούν με έναν ίσο αριθμό ηλεκτρονίων.

Η δεύτερη αλλαγή φάσης είναι ο επαναϊονισμός, που θεωρείται ότι εμφανίστηκε όταν εξέπεμψαν οι πρώτες-πρώτες γενεές άστρων του πληθυσμού ΙΙΙ και τα κβάζαρ,  την ακτινοβολία που επαναϊόνισαν το σύμπαν σχηματίζοντας για άλλη μια φορά ένα ιονισμένο πλάσμα (6 < z < 20 ή 150 εκατομμύρια έως 1 δισεκατομμύριο έτη μετά από το Big Bang).

Οι θεωρητικές μελέτες του επαναϊονισμού προτείνουν ότι το σύμπαν θα πρέπει να πήγε από μια υψηλή ουδέτερη κατάσταση σε μια κατάσταση υψηλού ιονισμού, μέσα σε μια σχετικά μικρή χρονική περίοδο. Το 2003, οι αρχικές παρατηρήσεις από το δορυφόρο WMAP, που μέτρησε το συνολικό αριθμό των ηλεκτρονίων που ήταν παρόντα στο σύμπαν από την εποχή του επανασυνδυασμού (περίπου 380.000 χρόνια μετά το Big Bang), δημιούργησαν έναν γρίφο: οι μετρήσεις στα ηλεκτρόνια υπονοούν ότι εάν ο επαναϊονισμός εμφανίστηκε απότομα, τότε έπρεπε να αρχίσει και να τελειώσει πολύ πιο νωρίτερα (με ένα redshift z = 17 ή περίπου 200 εκατομμύρια έτη μετά από το Big Bang), αυτό που υπονοούσαν και τα αποτελέσματα από τα φάσματα των κβάζαρ. Εντούτοις, τα τελευταία αποτελέσματα από τις παρατηρήσεις τριών ετών με τον WMAP δείχνουν ότι το αποτέλεσμα των στοιχείων του πρώτου έτους ήταν υπερεκτιμημένα, κι ότι ο επαναϊονισμός εμφανίστηκε πιο αργά, γύρω από μια εποχή με z = 11 ή περίπου 380  εκατομμύρια έτη μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό το αποτέλεσμα είναι συμφωνεί και με τα στοιχεία των κβάζαρ, αν και παραμένουν ακόμα μερικά μυστήρια.

Ο Martin Rees ονόμασε την εποχή 100 εκατομμύρια έτη μετά το Big Bang σαν Κοσμικό Μεσαίωνα

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. Είναι η εποχή που εκπέμφθηκε η Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου.

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).