Ανακαλύψεις Καυσίμου Μάχη για το Πρώτο Φως του Σύμπαντος

Λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όλα σκοτεινιάστηκαν. Το αέριο υδρογόνο που διαπέρασε το πρώιμο σύμπαν θα είχε σβήσει το φως των πρώτων αστέρων και γαλαξιών του σύμπαντος. Για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, ακόμη και αστέρια αξίας ενός γαλαξία - ή αδιανόητα φωτεινοί φάροι όπως αυτοί που δημιουργούνται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες - θα είχαν καταστεί σχεδόν αόρατοι.

Τελικά αυτή η ομίχλη κάηκε καθώς το υπεριώδες φως υψηλής ενέργειας διέλυσε τα άτομα σε μια διαδικασία που ονομάζεται επαναιονισμός. Αλλά τα ερωτήματα σχετικά με το πώς ακριβώς συνέβη αυτό - ποια ουράνια αντικείμενα ενεργοποίησαν τη διαδικασία και πόσα από αυτά χρειάζονταν - έχουν καταναλώσει τους αστρονόμους εδώ και δεκαετίες.

Τώρα, σε μια σειρά μελετών, οι ερευνητές έψαξαν περισσότερο στο πρώιμο σύμπαν από ποτέ. Χρησιμοποίησαν γαλαξίες και σκοτεινή ύλη ως γιγάντιο κοσμικό φακό για να δουν μερικούς από τους πρώτους γνωστούς γαλαξίες, φωτίζοντας πώς αυτοί οι γαλαξίες θα μπορούσαν να έχουν διαλύσει την κοσμική ομίχλη. Επιπλέον, μια διεθνής ομάδα αστρονόμων ανακάλυψε δεκάδες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες - η καθεμία με μάζα εκατομμυρίων ηλίων - που φωτίζουν το πρώιμο σύμπαν. Μια άλλη ομάδα βρήκε στοιχεία ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες υπήρχαν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πριν κάποιος σκεφτεί πιθανές. Οι νέες ανακαλύψεις θα πρέπει να καταστήσουν σαφές πόσο πολύ συνέβαλαν οι μαύρες τρύπες στον επαναιονισμό του σύμπαντος, ακόμη κι αν έχουν ανοίξει ερωτήματα σχετικά με το πώς μπόρεσαν να σχηματιστούν τέτοιες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες τόσο νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος.

Πρώτο φως

Τα πρώτα χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ήταν πολύ ζεστό για να επιτρέψει τη δημιουργία ατόμων. Πρωτόνια και ηλεκτρόνια πετούσαν τριγύρω, σκορπίζοντας οποιοδήποτε φως. Στη συνέχεια, μετά από περίπου 380.000 χρόνια, αυτά τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια ψύχθηκαν αρκετά ώστε να σχηματίσουν άτομα υδρογόνου, τα οποία συγχωνεύτηκαν σε αστέρια και γαλαξίες τα επόμενα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια.

Το αστρικό φως από αυτούς τους γαλαξίες θα ήταν φωτεινό και ενεργητικό, με πολλά από αυτά να πέφτουν στο υπεριώδες τμήμα του φάσματος. Καθώς αυτό το φως πέταξε έξω στο σύμπαν, έτρεξε σε περισσότερο αέριο υδρογόνο. Αυτά τα φωτόνια φωτός θα διασπούσαν το αέριο υδρογόνο, συμβάλλοντας στον επαναιονισμό, αλλά καθώς το έκαναν, το αέριο έσβησε το φως.

Για να βρουν αυτά τα αστέρια, οι αστρονόμοι πρέπει να ψάξουν για το μη υπεριώδες μέρος του φωτός τους και να κάνουν παρέκταση από εκεί. Αλλά αυτό το μη υπεριώδες φως είναι σχετικά αμυδρό και δύσκολο να το δεις χωρίς βοήθεια.

Μια ομάδα με επικεφαλής τη Rachael Livermore, μια αστροφυσικό στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Austin, βρήκε ακριβώς τη βοήθεια που χρειαζόταν με τη μορφή ενός γιγαντιαίου κοσμικού φακού. Αυτοί οι λεγόμενοι βαρυτικοί φακοί σχηματίζονται όταν ένα σμήνος γαλαξιών, γεμάτο με τεράστια σκοτεινή ύλη, λυγίζει τον χωροχρόνο για να εστιάσει και να μεγεθύνει οποιοδήποτε αντικείμενο στην άλλη πλευρά του. Ο Livermore χρησιμοποίησε αυτή την τεχνική με εικόνες από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble για να εντοπίσει εξαιρετικά αμυδρούς γαλαξίες από 600 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη — ακριβώς στο βάθος του επαναιονισμού.

Σε μια πρόσφατη εφημερίδα που εμφανίστηκε στο The Astrophysical Journal , ο Livermore και οι συνεργάτες του υπολόγισαν επίσης ότι εάν προσθέσετε γαλαξίες σαν αυτούς στους προηγουμένως γνωστούς γαλαξίες, τότε τα αστέρια θα μπορούν να παράγουν αρκετό έντονο υπεριώδες φως για να επαναιονίσει το σύμπαν.

Ωστόσο, υπάρχει μια σύλληψη. Οι αστρονόμοι που κάνουν αυτό το έργο πρέπει να εκτιμήσουν πόσο από το υπεριώδες φως ενός αστεριού ξέφυγε από τον γαλαξία του σπιτιού του (ο οποίος είναι γεμάτος αέριο υδρογόνου που μπλοκάρει το φως) για να βγει στο ευρύτερο σύμπαν και να συμβάλει στον επαναιονισμό σε μεγάλο βαθμό. Αυτή η εκτίμηση - που ονομάζεται κλάσμα διαφυγής - δημιουργεί μια τεράστια αβεβαιότητα που ο Livermore σπεύδει να αναγνωρίσει.

Επιπλέον, δεν πιστεύουν όλοι τα αποτελέσματα του Livermore. Ο Rychard Bouwens, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Leiden στην Ολλανδία, υποστηρίζει σε μια εργασία που υποβλήθηκε στο The Astrophysical Journal ότι ο Λίβερμορ δεν αφαίρεσε σωστά το φως από τα σμήνη γαλαξιών που αποτελούν τον βαρυτικό φακό. Ως αποτέλεσμα, είπε, οι μακρινοί γαλαξίες δεν είναι τόσο αχνοί όσο ισχυρίζονται ο Λίβερμορ και οι συνάδελφοί του, και οι αστρονόμοι δεν έχουν βρει αρκετούς γαλαξίες για να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι τα αστέρια ιονίζουν το σύμπαν.

Υπεροχή των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών

Αν τα αστέρια δεν μπορούσαν να κάνουν τη δουλειά, ίσως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες να μπορούσαν. Κτηνώδεις σε μέγεθος, έως και ένα δισεκατομμύριο φορές τη μάζα του ήλιου, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες καταβροχθίζουν την ύλη. Το τραβούν προς το μέρος τους και το θερμαίνουν, μια διαδικασία που εκπέμπει πολύ φως και δημιουργεί φωτεινά αντικείμενα που ονομάζουμε κβάζαρ. Επειδή τα κβάζαρ εκπέμπουν πολύ περισσότερη ιονίζουσα ακτινοβολία από τα αστέρια, θεωρητικά θα μπορούσαν να επαναιονίσουν το σύμπαν.

Το κόλπο είναι να βρεις αρκετά κβάζαρ για να το κάνεις. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org τον περασμένο μήνα, αστρονόμοι που εργάζονται με το τηλεσκόπιο Subaru ανακοίνωσαν την ανακάλυψη 33 κβάζαρ που είναι περίπου το ένα δέκατο φωτεινό από αυτά που είχαν εντοπιστεί πριν. Με τέτοια αχνά κβάζαρ, οι αστρονόμοι θα πρέπει να είναι σε θέση να υπολογίσουν πόσο υπεριώδες φως εκπέμπουν αυτές οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, είπε ο Michael Strauss, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και μέλος της ομάδας. Οι ερευνητές δεν έχουν κάνει ακόμη την ανάλυση, αλλά αναμένουν να δημοσιεύσουν τα αποτελέσματα τους επόμενους μήνες.

Το παλαιότερο από αυτά τα κβάζαρ χρονολογείται περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η οποία φαίνεται περίπου πόσος χρόνος θα χρειαζόταν οι συνηθισμένες μαύρες τρύπες για να καταβροχθίσουν αρκετή ύλη ώστε να μετατραπεί σε υπερμεγέθη.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μια άλλη πρόσφατη ανακάλυψη είναι τόσο αινιγματική. Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Ρίτσαρντ Έλις, έναν αστρονόμο στο Ευρωπαϊκό Νότιο Αστεροσκοπείο, παρατηρούσε έναν φωτεινό γαλαξία που σχηματίζει αστέρια, όπως ήταν μόλις 600 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το φάσμα του γαλαξία - ένας κατάλογος φωτός ανά μήκος κύματος - φαινόταν να περιέχει μια υπογραφή ιονισμένου αζώτου. Είναι δύσκολο να ιονιστεί το συνηθισμένο υδρογόνο, και ακόμη πιο δύσκολο να ιονιστεί το άζωτο. Απαιτεί περισσότερο υπεριώδες φως υψηλότερης ενέργειας από αυτό που εκπέμπουν τα αστέρια. Έτσι, μια άλλη ισχυρή πηγή ιονίζουσας ακτινοβολίας, πιθανώς μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, έπρεπε να υπάρχει αυτή τη στιγμή, είπε ο Έλις.

Μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα στο κέντρο ενός πρώιμου γαλαξία που σχηματίζει αστέρια μπορεί να είναι ακραία. Δεν σημαίνει ότι υπήρχαν αρκετά από αυτά γύρω για να επαναϊονίσουν το σύμπαν. Έτσι ο Έλις άρχισε να κοιτάζει άλλους πρώιμους γαλαξίες. Η ομάδα του έχει τώρα δοκιμαστικά στοιχεία ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες κάθονταν στα κέντρα άλλων τεράστιων γαλαξιών που σχηματίζουν αστέρια στο πρώιμο σύμπαν. Η μελέτη αυτών των αντικειμένων θα μπορούσε να βοηθήσει να διευκρινιστεί τι επαναϊονίζει το σύμπαν και να φωτίσει πώς σχηματίστηκαν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. «Αυτή είναι μια πολύ συναρπαστική πιθανότητα», είπε ο Έλις.

Όλη αυτή η εργασία αρχίζει να συγκλίνει σε μια σχετικά ξεκάθαρη εξήγηση για το τι επαναϊονίζει το σύμπαν. Ο πρώτος πληθυσμός νεαρών, καυτών σταρ πιθανότατα ξεκίνησε τη διαδικασία και μετά την οδήγησε μπροστά για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Με τον καιρό, αυτά τα αστέρια πέθαναν. τα αστέρια που τα αντικατέστησαν δεν ήταν τόσο φωτεινά και καυτά. Αλλά σε αυτό το σημείο της κοσμικής ιστορίας, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είχαν αρκετό χρόνο να αναπτυχθούν και μπορούσαν να αρχίσουν να κυριαρχούν. Ερευνητές όπως ο Steve Finkelstein, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, χρησιμοποιούν τα πιο πρόσφατα δεδομένα παρατήρησης και προσομοιώσεις της πρώιμης γαλαξιακής δραστηριότητας για να δοκιμάσουν τις λεπτομέρειες αυτού του σεναρίου, όπως πόσο συμβάλλουν τα αστέρια και οι μαύρες τρύπες στη διαδικασία στο διαφορετικές ώρες.

Το έργο του - και όλο το έργο που αφορά τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος - θα λάβει ώθηση τα επόμενα χρόνια μετά την εκτόξευση το 2018 του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb, του διαδόχου του Hubble, το οποίο έχει σχεδιαστεί ρητά για να βρίσκει τα πρώτα αντικείμενα στο σύμπαν. Τα ευρήματά του θα προκαλέσουν πιθανώς πολλά περισσότερα ερωτήματα επίσης.

Διόρθωση 19 Μαΐου 2017:Η ομάδα της Subaru ανακοίνωσε πρόσφατα την ανακάλυψη 33 κβάζαρ στο πρώιμο σύμπαν και όχι 32 όπως έλεγε αρχικά το άρθρο.