Η μακρινή αστρική έκρηξη βοηθά στη χαρτογράφηση των συμπάντων των σκοτεινών χρόνων
Κοντά στην αρχή, το σύμπαν ήταν χωρίς μορφή και κενό, και το σκοτάδι βρισκόταν στο πρόσωπο του βαθέως. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μέχρι περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δεν υπήρχαν γαλαξίες ή αστέρια που να φωτίζουν τους ουρανούς, οι οποίοι στη συνέχεια γέμισαν κυρίως με ουδέτερο αέριο υδρογόνο. Αλλά μια σπάνια αστρική έκρηξη υπερυψηλής ενέργειας που ονομάζεται έκρηξη ακτίνων γάμμα (GRB) έχει προσφέρει μια νέα ματιά σε αυτήν την σκοτεινή περίοδο - τους λεγόμενους κοσμικούς σκοτεινούς αιώνες - και μπορεί να βοηθήσει να καταγραφεί ακριβώς πότε τελείωσε. Μια μελέτη για τη λάμψη της έκρηξης δείχνει ότι ένα τέτοιο ουδέτερο υδρογόνο αφθονούσε ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, επομένως οι σκοτεινοί αιώνες δεν είχαν τελειώσει τότε, αναφέρει μια ομάδα Ιαπώνων αστρονόμων.
Οι σκοτεινοί αιώνες διήρκεσαν έως ότου τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες σχηματίστηκαν από τη συγκέντρωση συστάδων αερίου και το φως τους διέλυσε, ή επαναιονοποίησε, τα άτομα υδρογόνου. (Σήμερα, η συντριπτική πλειονότητα του υδρογόνου στον διαγαλαξιακό χώρο είναι ιονισμένος.) Για να μάθουν πότε συνέβη αυτό, οι ερευνητές θέλουν να μετρήσουν πόσο ουδέτερο υδρογόνο υπήρχε ακόμα σε διάφορες περιόδους στο παρελθόν του σύμπαντος.
Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να ανιχνεύσουμε τη λεγόμενη ακτινοβολία 21 εκατοστών, ένα αχνό ραδιοσήμα που εκπέμπεται από ουδέτερο υδρογόνο. Αλλά τα ραδιοτηλεσκόπια που μπορούν να το κάνουν αυτό δεν είναι ακόμη αρκετά ακριβή για να δουν τόσο πολύ πίσω στο παρελθόν. Οι αστρονόμοι μπορούν επίσης να κοιτάξουν το φως από τα κβάζαρ, τα οποία είναι πολύ φωτεινοί γαλαξιακές πυρήνες, για να αναζητήσουν την απορρόφηση ενδεικτικών μηκών κύματος φωτός από το κοντινό ουδέτερο υδρογόνο που περιβάλλει το κβάζαρ. (Το ιονισμένο υδρογόνο δεν απορροφά την οπτική ακτινοβολία.) Αλλά τα φάσματα κβάζαρ μπορεί να είναι πιο δύσκολο να ερμηνευτούν επειδή τα κβάζαρ βρίσκονται σε μεγάλους γαλαξίες και πιθανότατα θα έχουν ιονίσει μεγάλο μέρος του αερίου γύρω τους ούτως ή άλλως.
Ένας τρίτος τρόπος είναι να μελετήσουμε τα GRB, πολύ σπάνιες αλλά εξαιρετικά ισχυρές εκρήξεις που συμβαίνουν όταν ένα μεγάλο, ταχέως περιστρεφόμενο αστέρι καταρρέει και προκαλεί έναν σουπερνόβα ή υπερκαινοφανή. Η έκρηξη εκτοξεύει μια στενή δέσμη ακτινοβολίας στο διάστημα, η οποία, εάν είναι στραμμένη προς τη Γη, εμφανίζεται ως λάμψη ακτίνων γάμμα στον ουρανό που διαρκεί δευτερόλεπτα ή λεπτά, ακολουθούμενη από μια μεγαλύτερης διάρκειας μεταλάμψη σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Όπως και με ένα κβάζαρ, η ακτινοβολία από μια υστέρηση GRB μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναζήτηση ουδέτερου υδρογόνου στη γειτονιά της έκρηξης. Τα GRB είναι δυνητικά πιο καθαρά ως πηγές φωτός επειδή προέρχονται από μικρούς γαλαξίες ή εντελώς μακριά από γαλαξίες.
Ο Tomonori Totani, ένας αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, και οι συνεργάτες του είδαν μια τυχερή ματιά ακριβώς σε ένα τέτοιο GRB. Το GRB 130606A εντοπίστηκε τον περασμένο Ιούνιο από τον δορυφόρο Swift της NASA. Όπως συνηθίζεται για ένα τέτοιο γεγονός αυτές τις μέρες, τα τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο περιστράφηκαν για να πιάσουν μέρος του φωτός του, συμπεριλαμβανομένου του ιαπωνικού τηλεσκοπίου Subaru στη Χαβάη. Επειδή ήταν πολύ φωτεινό, η κάμερα και το φασματογράφο Faint Object της Subaru μπόρεσαν να μετρήσουν με ακρίβεια το φάσμα της μεταγενέστερης λάμψης του. Αυτό που έκανε αυτό το GRB ξεχωριστό ήταν ότι ήταν πολύ μακρινό, με μετατόπιση προς το κόκκινο 5,913, που σημαίνει ότι εξερράγη όταν το διαρκώς διαστελλόμενο σύμπαν ήταν μόλις το ένα έβδομο του τρέχοντος μεγέθους του και ηλικίας μόλις 1 δισεκατομμυρίου ετών.
Από το φάσμα του GRB, οι ερευνητές υπολογίζουν ότι το 10% του διαγαλαξιακού αερίου που περιβάλλει την έκρηξη αποτελούνταν από ουδέτερο υδρογόνο, αναφέρουν σε ένα άρθρο που θα δημοσιευθεί τον Ιούνιο στις Publications of the Astronomical Society of Japan . Η αφθονία του ουδέτερου υδρογόνου υποδηλώνει ότι η διαδικασία επαναιονισμού που τερμάτισε τους σκοτεινούς αιώνες δεν είχε ακόμη ολοκληρωθεί εκείνη την εποχή.
«Είναι ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα και ο καλύτερος περιορισμός για την Εποχή του Επανιονισμού που προέρχεται από ένα [GRB]», γράφει ο αστροφυσικός Avery Meiksin από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου στο Ηνωμένο Βασίλειο σε ένα e-mail. Αλλά καλύτερα δεδομένα προήλθαν από ένα κβάζαρ που ανακαλύφθηκε το 2010. Η μετατόπισή του στο κόκκινο 7,1 το τοποθετεί μόλις 770 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η εκτενής ανάλυση του φάσματος του έδειξε ότι το κοντινό αέριο είναι τουλάχιστον 10% ουδέτερο υδρογόνο και παρόμοια ανάλυση θα χρειαζόταν για να εξαχθούν σταθερά συμπεράσματα από αυτό το GRB, λέει ο Meiksin. «Θα έλεγα ότι η κύρια σημασία αυτού του αποτελέσματος είναι ότι είναι ένα GRB, το οποίο υπόσχεται ότι θα υπάρξουν περισσότερα παρόμοια δεδομένα στο μέλλον», προσθέτει. Ο Rennan Barkana, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ, συμφωνεί ότι το πολύ υψηλής ποιότητας φάσμα παρέχει «ήπια στοιχεία» ουδέτερου υδρογόνου, αλλά υπάρχουν πολλές αβεβαιότητες. Λέει ότι τα στοιχεία από τα GRB είναι "πολύ υποσχόμενα".
"Ο κύριος περιορισμός αυτού του είδους της μελέτης είναι ο χαμηλός ρυθμός συμβάντων τέτοιων φωτεινών GRBs σε αρκετά υψηλή μετατόπιση προς το κόκκινο", γράφει ο Totani σε ένα e-mail. Αλλά αυτή η κατάσταση πιθανότατα θα βελτιωθεί την επόμενη δεκαετία καθώς η επόμενη γενιά γιγαντιαίων τηλεσκοπίων, όπως το Thirty Meter Telescope και το European Extremely Large Telescope, θα έρθουν στο διαδίκτυο, λέει ο Totani, καθώς θα πρέπει να είναι σε θέση να εντοπίζουν πολύ πιο αχνά και, ως εκ τούτου, πιο άφθονα GRBs.
