Ana Lopes si Henri Boffin ne conduc intr-o calatorie inapoi in timp, explicandu-ne istotia Universului.

V-ati intrebat vreodata cand au aparut primele raze de lumina in Univers? Cu totii am vazut rasaritul soarelui. Astronomii au facut un pas inainte cautand primele surse de lumina – folosind telescoape puternice. Ultima lor aspiratie este si mai ambitioasa: sa scrie intreaga istorie a Universului, de la nasterea sa – Big Bang – pana in ziua de azi, aproape 14 miliarde de ani mai tarziu.

Lumina nu a fost capabila sa “calatoreasca” libera in Univers decat la 400 000 de ani dupa producerea Big Bang-ului. De la Big Bang incoace, Universul se tot mareste si se raceste (Boffin & Pierce-Price, 2007), extinzand acea lumina primara de la frecventa ei initiala pana la ceea ce noi astazi cunoastem sub numele de fotoni in domeniul microundelor: fondul de microunde provenite din intregul Univers.

Istoricii deseori folosesc fotografii si alte imagini pentru a descrie trecutul. Acelasi lucru il fac si astronomii.

Folosind COBE (Sonda Spatiala pentru fondul Cosmic) si Satelitul de Anizotropie de Radiatii (WMAP)^w1 pentru a reda harta radiatiilor microunde cosmice de fond), astronomii au reusit sa faca o “fotografie” a Universului asa cum era la aproximativ 400.000 ani dupa Big Bang. John Mather si George Smooth au castigat in 2006 datorita datelor furnizate de COBE premiul Nobel pentru Fizica^w2.

Modelul cosmologic standard al evolutiei Universului ne spune ca dupa 400 000 de la Big Bang, Universul s-a racit pana la aproape 3000 grade Kelvin, o temperatura indeajuns de scazuta pentru ca electronii si protonoii sa se combine, formand hidrogen neutru din gazul ionizat. Electronii hidrogenului neutru (precum si ai altor atomi sau molecule) absorb foarte eficient fotonii, asadar un Univers plin de hidrogen neutru este opac.

Avem de asemenea “fotografii” mult mai recente ale Universului: galaxii pline de stele, asa cum existau la un miliard de ani dupa Big Bang – odata ce Universul a devenit transparent din nou. Datorita limitei vitezei luminii (300 000 km/s), lumina de la obiectele indepartate ajunge la noi cu o mai mare intarziere decat de la obiectele mai apropiate; astfel vedem obiectele de la distanta ca si cum ar fi “in trecut”, “acum mult timp”. Uitandu-se la obiectele foarte indepartate, astronomii au fost capabili sa vada lumina care a calatorit aproape 13 miliarde de ani – adica au vazut acele obiecte asa cum erau la mai putin de 1 miliard de ani dupa Big Bang.

Dar ce s-a intamplat intre aceste doua fotografii, intre eliberarea radiatiilor de microunde cosmice de fond la 400 000 ani dupa Big Bang si lumina emisa de aceste foarte indepartate galaxii, aproape 1 miliard de ani mai tarziu? Cand si cum s-a ridicat ceata cosmica? Ce a schimbat o mare de particule aproape lipsita de structura intr-un Univers luminat de numeroase stele din galaxii tinere?

Asa cum afirma Abraham Leob, astronom la Harvard University : “Situatia cu care se confrunta astronomii este asemanatoarea cu cea a unui album foto continand prima imagine ultrasunet a unui bebelus nenascut si niste poze ale aceleiasi persoane ca adolescent si adult (Loeb, 2006). Ceea ce nu stiu oamenii de stiinta – dar incearca sa afle – este cand si cum s-au nascut primele stele si galaxii. Leob continua: “In momentul acesta astronomii cauta paginile lipsa din acest album foto, care vor arata cum a evoluat Universul in timpul copilariei sale si cum a produs blocurile de galaxii asemenea galaxiei noastre– Calea Lactee”.

Inainte ca vreo stea sa se formeze, Universul era facut in mare parte din hidrogen, heliu si intr-o foarte mica masura din alte elemente (asa cum au descries Rebusco et al., 2007). Pentru a ioniza hidrogenul este necesara o energie mai mare de 13.6 eV – tipul de energie care corespunde fotonilor in domeniul ultraviolet. Asadar, orice a reionizat Universul trebuie sa fi degajat cantitati enorme de radiatie UV.

In 1965, American astronomers James Gunn and Bruce Peterson predicted that the spectra of quasars could be used to date the final stages of the reionisation epoch. Quasars are very distant and ancient galaxies of extreme brilliance, thought to be powered by material falling into giant black holes at their centres. If the quasar is so distant that the light we observe from it escaped during the ‘dark ages’, its UV light will have been absorbed by the neutral hydrogen present at the time; if the quasar is closer and the light we observe was emitted only after the reionisation, there will have been no neutral hydrogen to impede it (vezi diagrama de mai jos). (Note that while the neutral hydrogen atoms absorb all wavelengths of light, most wavelengths are released again. UV light, in contrast, ionises the atoms and is completely absorbed.)

Prin urmare, James Gunn si Bruce Peterson au prezis faptul că quasarii aflati dincolo de o anumită distanţă de Pământ, pentru care observam lumina care a fost eliberata înainte de terminarea reionizarii, s-ar arăta prin intermediul unui efect in spectrul lor. Quasarii mai apropiati de Pamant spre deosebire de ceilalti - au eliberat lumina pe care o observăm de pe Pământ numai după ce procesul de reionizare a luat sfarsit.

În 2001, o echipă de cercetători condusă de Robert Becker de la Universitatea din California, SUA, a confirmat predictia lui Gunn si Peterson: au detectat un efect clar în spectrul unui quasar foarte îndepărtat ,descoperit în timpul lui Sloan Digital Sky Survey^w3, o expeditie imensa astronomica care a examinat spectrele apartinand unui numar de aproximativ o sută de mii quasari.Efectul a fost observat in partea infra-rosie a spectrului, pentru că quasarul este atât de departe incat : lumina sa a inceput calatoria spre Pământ acum aproximativ 900 milioane ani dupa Big Bang, şi astfel a durat aproape 13 000 milioane ani pentru a ajunge la noi, timp în care lumina sa iniţial ultra-violeta a fost preschimbata în infra-roşie de expansiunea universului. Quasarii vizibil mai aproape de Pamant nu au arătat un astfel de efect. Acest lucru a indicat faptul că ultimele pachete de hidrogen neutru din univers au fost ionizate la aproximativ 900 milioane ani dupa Big Bang.

O alta sursa de informatii despre epoca reionizarii este radiaţia de fond a microundelor cosmice care au fost eliberate la scurt timp după Big Bang.

In timp ce Universul a început să fie reionizat, electronii care au fost eliberati au afectat polaritatea luminii. Un electron liber poate interacţiona cu un foton într-un proces numit efectul de împrăştiere Thomson: electronul este accelerat şi lumina incidenta este polarizată de-a lungul direcţiei de mişcare a electronului. Acest efect a fost cel mai pronunţat în timpul şi imediat după reionizare; mai târziu, pentru că universul a continuat să se extindă, densitatea de electroni liberi a scăzut, astfel reducand efectele de polarizare ale acestora.