Αστρονόμοι βρίσκουν τη θερμοκρασία του μακρινού σύμπαντος
Πρώτη ακριβής μέτρηση της θερμοκρασίας του Κοσμικού Υποβάθρου σε μια πρώιμη εποχή του σύμπαντος
 

Πηγή: ScienceDaily, 13 Μαΐου 2008

Αστρονόμοι έχουν χρησιμοποιήσει το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) του Ευρωπαϊκού Νότιου Παρατηρητηρίου (ESO) για να ανιχνεύσουν για πρώτη φορά στο υπεριώδες φως το μόριο του μονοξειδίου του άνθρακα, σε έναν γαλαξία που βρίσκεται σχεδόν 11 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας, ένας άθλος που δεν μπορούσε να πραγματοποιηθεί για 25 χρόνια. Αυτή η ανίχνευση τους επέτρεψε να κάνουν την πιο ακριβή μέτρηση που έγινε ποτέ, της κοσμικής θερμοκρασίας εκείνης της μακρινής εποχής.

Οι καλά κρυμμένοι γαλαξίες μπορούν να ανακαλυφθούν μέσω της σφραγίδας που αφήνει το διαστρικό αέριο μέσα τους, στο φάσμα ενός πολύ πιο μακρινού κβάζαρ. Τα διαστρικά νέφη του αερίου μέσα στους γαλαξίες, που βρίσκονται στην ευθεία που ενώνει τα κβάζαρ και μας εδώ, απορροφούν τμήματα του φωτός που εκπέμπονται από τα κβάζαρ. Το φάσμα που προκύπτει παρουσιάζει συνεπώς σκοτεινές "γραμμές", που μπορούν να αποδοθούν σε γνωστά στοιχεία ή ενδεχομένως και σε μόρια. Σε αυτήν την εικόνα, το VLT παρατηρεί (D) χαρακτηριστικά συνδεδεμένα σε τρία συστήματα, που βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις (A, B, και C). Το κβάζαρ, που ενεργεί ως αναγνωριστικό σήμα, είναι το φωτεινό αντικείμενο στ' αριστερά της εικόνας.

Η ομάδα των αστρονόμων στόχευσε το φασματογράφο UVES του VLT γιατί περισσότερο από 8 ώρες σε έναν πολύ καλά κρυμμένο γαλαξία το φως του οποίου χρειάστηκε σχεδόν 11 δισεκατομμύρια έτη για να φθάσει σε μας. Ας μην ξεχνάμε ότι ο χρόνος αυτός είναι περίπου το 80% της ηλικίας του Κόσμου.

Η ομάδα αυτή έκανε ήδη την πρώτη μέτρηση της θερμοκρασίας της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, σε μία εποχή που ο Κόσμος ήταν περίπου 2,5 δισεκατομμυρίων ετών, χρησιμοποιώντας επίσης το φασματόμετρο UVES του VLT. Εκείνη την περίοδο, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να μετρήσουν μια θερμοκρασία μεταξύ των 6 και 14 Κelvin μόνο.

Ο μόνος τρόπος για να φανεί αυτός ο γαλαξίας είναι μέσω της σφραγίδας που αφήνει το διαστρικό του αέριοι στο φάσμα ενός ακόμα πιο μακρινού κβάζαρ. "Τα κβάζαρ εδώ χρησιμοποιούνται μόνο ως ένα αναγνωριστικό σήμα του πολύ απόμακρου Κόσμου. Τα διαστρικά νέφη του αερίου στους γαλαξίες, που βρίσκονται μεταξύ των κβάζαρ και εμας εδώ στην ίδια ευθεία, απορροφούν τμήματα του φωτός που εκπέμπεται από τα κβάζαρ. Το προκύπτον φάσμα παρουσιάζει συνεπώς σκοτεινές γραμμές που μπορούν να αποδοθούν στα γνωστά στοιχεία και ενδεχομένως σε μόρια," εξηγεί ο Ινδός Raghunathan Srianand, ο οποίος ήταν επικεφαλής της διεθνούς ομάδας που κάνει τις παρατηρήσεις.

Χάρις στη δύναμη του VLT και την πολύ προσεκτική επιλογή του στόχου - ο στόχος επιλέχτηκε μεταξύ 10.000 περίπου κβάζαρ - η ομάδα ήταν σε θέση να ανακαλύψει την παρουσία μοριακού υδρογόνου (κανονικού H2 και δευτερίου HD) και μορίων μονοξειδίου του άνθρακα (CO) στο διαστρικό μέσο αυτού του μακρινού γαλαξία. Ήταν η πρώτη φορά που έχουν ανιχνευθεί αυτά τα τρία μόρια μπροστά από ένα κβάζαρ, μια ανίχνευση που είχε παραμείνει αδύνατη για περισσότερο από 25 χρόνια, λένε οι ερευνητές.

Η ίδια ομάδα έχει κάνει ανίχνευση μοριακού υδρογόνου σε έναν πολύ απόμακρο γαλαξία, ενώ το φως του προέρχεται από την εποχή που ο Κόσμος ήταν λιγότερο από 1,5 δισεκατομμυρίων ετών.

Το διαστρικό αέριο είναι μια δεξαμενή από την οποία φτιάχνονται τα αστέρια και υπό αυτή τη μορφή, είναι ένα σημαντικό συστατικό των γαλαξιών.

Επιπλέον, επειδή ο σχηματισμός και η κατάσταση των μορίων είναι πολύ ευαίσθητα στις φυσικές καταστάσεις του αερίου, οι οποίες εξαρτώνται εν συνέχεια από το ρυθμό με τον οποίο διαμορφώνονται τα αστέρια, η λεπτομερής μελέτη της χημείας του διαστρικού μέσου είναι ένα σημαντικό εργαλείο για να καταλάβουμε πώς διαμορφώνονται οι γαλαξίες.

Με βάση τις παρατηρήσεις τους, οι αστρονόμοι έδειξαν ότι οι φυσικές καταστάσεις που επικρατούν στο διαστρικό αέριο σε αυτόν τον μακρινό γαλαξία είναι παρόμοιες με αυτό που φαίνονται στο Γαλαξία μας.

Επιπλέον, η ομάδα ήταν σε θέση να μετρήσει με την καλύτερη μέχρι τώρα ακρίβεια, τη θερμοκρασία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου στο μακρινό κόσμο. "Αντίθετα από άλλες μεθόδους, η μέτρηση της θερμοκρασίας του κοσμικού υποβάθρου με τη βοήθεια του μορίου του CO περιλαμβάνει πολύ λίγες υποθέσεις," δηλώνει ο Pasquier Noterdaeme, ένας από τους ερευνητές.

Εάν το σύμπαν σχηματίστηκε με ένα Big Bang, όπως συμπεραίνουν οι περισσότεροι αστροφυσικοί, τότε η αρχέγονη ακτινοβολία που προέρχεται από τη Μεγάλη Έκρηξη πρέπει να ήταν θερμότερη στο παρελθόν. Κι αυτό βρέθηκε με τις νέες μετρήσεις. "Η σημερινή θερμοκρασία του κοσμικού υποβάθρου έχει μετρηθεί ότι είναι 2.725 Κ, ενώ πριν 11 δισεκατομμύρια χρόνια ήταν περίπου 9,3 Κ. Οι πιο ακριβείς παρατηρήσεις με το VLT έδωσαν μια θερμοκρασία 9,15 Κ, συν ή μείον 0,7 Κ, σε άριστη συμφωνία με τη θεωρία.

Τα αποτελέσματα που περιγράφονται εδώ έχουν παρουσιαστεί στο Astronomy and Astrophysics.

Μια από τις θεμελιώδεις προβλέψεις της θεωρίας του καυτού Big Bang για τη δημιουργία του Κόσμου είναι η ύπαρξη της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMBR). Αυτή η ακτινοβολία λείψανο της αρχέγονης πύρινης βολίδας ανακαλύφθηκε το 1964 με τη βοήθεια ραδιοπαρατηρήσεων του ουρανού από τους αμερικανούς φυσικούς Arno Penzias και Robert Wilson, που ανταμείφθηκαν με βραβείο Νόμπελ το 1978. Μετρήσεις ακρίβειας από το COBE και το δορυφόρο WMAP αργότερα έδειξαν ότι αυτή η αρχαία ακτινοβολία γεμίζει όλο το σύμπαν, με μια τρέχουσα θερμοκρασία ελαφρώς μικρότερη από 3 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν (2,725 Kelvin, ή -270.4 βαθμούς Κελσίου). Μια ιδιαίτερη πρόβλεψη της θεωρίας του Big Bang είναι ότι ο Κόσμος καθώς διαστέλλεται ψύχεται, και η θερμοκρασία εξαρτάται από τον παράγοντα (1 + z), όπου z είναι η μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift). Με το redshift αυτού του γαλαξία (2.41837), η θερμοκρασία θα ήταν 2.725 Χ (1 + 2.41837) = 9.315 Κ ή -263.835 βαθμός Κελσίου.

Σήμερα, η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου έχει μήκος κύματος ελάχιστα χιλιοστά και θερμοκρασία όπως είδαμε περίπου 2,7 βαθμοί πάνω από το απόλυτο μηδέν. Την εποχή όμως που εκπέμφθηκε η ακτινοβολία CMBR το μήκος κύματος της ήταν χίλιες φορές πιο μικρό (ελάχιστα μόνο εκατομμυριοστόμετρα) και ανήκε στην υπέρυθρη ακτινοβολία.

Ξέρουμε ότι η ενέργεια και η θερμοκρασία της ακτινοβολίας αυξάνονται αντίστροφους ανάλογα με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Ως εκ τούτου, οι κοσμολόγοι συμπεραίνουν ότι η θερμοκρασία του σύμπαντος άγγιζε τους τρεις χιλιάδες βαθμούς —το μισό της θερμοκρασίας που έχει η επιφάνεια του Ήλιου — την εποχή που εκπεμπόταν η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Η θερμοκρασία αυτή είναι αρκετά υψηλή για να διαλύσει τα ουδέτερα άτομα σε φορτισμένους πυρήνες και ηλεκτρόνια.