Το πρώτο φως στο Σύμπαν Understand article

Μετάφραση: Νίκος Σκουλίδης (Nikos Skoulidis)/. Ana Lopes και ο Henri Boffin μας ταξιδεύουν στο χρόνο – διερευνώντας την ιστορία του Σύμπαντος.

Έχεις ποτέ αναρωτηθεί πότε έλαμψε το πρώτο φως στο Σύμπαν; Οι περισσότεροι από μας έχουν δει την ανατολή του ηλίου το πρωί, την αυγή μιας νέας μέρας. Οι αστρονόμοι πάνε ένα βήμα παραπέρα και ψάχνουν για την πρώτη πηγή φωτός – ερευνώντας την ιστορία του Σύμπαντος χρησιμοποιώντας ισχυρότατα τηλεσκόπια. Η υπέρτατη λαχτάρα τους είναι ακόμη πιο φιλόδοξη, να ψηλαφίσουν όλη την ιστορία του Σύμπαντος, από την γένεσή του – την Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) – μέχρι τις μέρες μας, σχεδόν 14 000 εκατομμύρια (14 δισεκατομμύρια) χρόνια αργότερα.

Φωτογραφίες του Σύμπαντος

Το ηλεκτρομαγνητικό
φάσμα. Κάνε κλικ για
μεγέθυνση

Χορηγία εικόνας από NASA

Είχαν περάσει περίπου 400 000 χρόνια από τη Μεγάλη Έκρηξη και το φως μπορούσε να ταξιδεύει ελεύθερο στο Σύμπαν. Από τότε το Σύμπαν διαστέλλεται και κρυώνει (για μια περιγραφή, δες Boffin & Pierce-Price, 2007), απλώνοντας αυτό το πρωταρχικό φως από την αρχική του υψηλή συχνότητα, μέχρι που μπορεί να ανιχνευτεί σήμερα σαν φωτόνια στην περιοχή των μικροκυμάτων, την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, που φθάνει από ολόκληρο το Σύμπαν.

Οι ιστορικοί, συχνά χρησιμοποιούν φωτογραφίες και άλλες εικόνες για να μιλήσουν για το παρελθόν, και με αυτή την έννοια, οι αστρονόμοι δεν διαφέρουν.

Χρησιμοποιώντας τους δορυφόρους COBE (COsmic Background Explorer – Εξερευνητής Κοσμικού Υποβάθρου) και (WMAP)w1 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – Ανιχνευτή Μικροκυματικής Ανισοτροπίας Wilkinson) για την χαρτογράφηση της ακτινοβολίας του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, οι αστρονόμοι έφτιαξαν μια ‘φωτογραφία’ του Σύμπαντος όπως ήταν 400 000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Τα δεδομένα από το COBE έδωσαν στον John Mather και στον George Smoot το βραβείο Νόμπελw2για την Φυσική το 2006.

Καλλιτεχνική αποτύπωση
του διαστημόπλοιου COBE,
που εκτοξεύτηκε από την
NASA σε γήινη τροχιά το
1989 για να χαρτογραφήσει
πλήρως την μικροκυματική
κοσμική ακτινοβολία
υποβάθρου που απέμεινε
από την Μεγάλη Έκρηξη. Τα
πρώτα αποτελέσματα
δημοσιεύτηκαν το 1992

Χορηγία εικόνας από NASA /
COBE Science Team

Το τυπικό κοσμολογικό πρότυπο για το πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν μας λέει ότι περίπου 400 000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπας κρύωσε στους 3000 βαθμούς Κέλβιν περίπου, μια θερμοκρασία, αρκετά χαμηλή για τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια να συνδεθούν, και να σχηματίσουν ουδέτερο υδρογόνο από το αέριο ιόντων. Τα ηλεκτρόνια στο ουδέτερο υδρογόνο (όπως και σε άλλα άτομα ή μόρια) απορροφά φωτόνια πολύ αποτελεσματικά, έτσι ώστε ένα Σύμπαν γεμάτο με ουδέτερο υδρογόνο να είναι αδιαφανές.

Σε αντίθεση, όταν τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια είναι ξεχωριστά, δεν μπορούν να δεσμεύσουν το φωτόνια και έτσι ένα σύμπαν γεμάτο από ιονισμένο αέριο – όπως ήταν η κατάσταση μέχρι περίπου 400 000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, και είναι πάλι έτσι η κατάσταση σήμερα – είναι σχετικά διαφανές. Οι χάρτες των COBE και WMAP μας δείχνουν το Σύμπαν κατά το στάδιο της αδιαφάνειας, στην αρχή της ‘σκοτεινής εποχής’ του Σύμπαντος. Αυτή η περίοδος τελείωσε όταν το Σύμπαν έγινε πάλι ιονισμένο (δες το διάγραμμα στα δεξιά).

Έχουμε επίσης ‘φωτογραφίες’ ενός ακόμη πιο πρόσφατου Σύμπαντος: οι γαλαξίες είναι γεμάτοι αστέρια, όπως ήταν 1000 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη – όταν το Σύμπαν ξανάγινε διαφανές. Εξαιτίας της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός (300 000 km s-1), το φως από απομακρυσμένα αντικείμενα χρειάζεται πολύ περισσότερο χρόνο για να μας φτάσει, από ότι από τα γειτονικά αντικείμενα, επομένως βλέπουμε αυτά τα απομακρυσμένα αντικείμενα όπως ήταν πολύ καιρό πριν. Κοιτώντας τα πολύ απομακρυσμένα αντικείμενα, οι αστρονόμοι είναι ικανοί να δουν φως που ταξίδεψε για σχεδόν 13 000 εκατομμύρια χρόνια – που σημαίνει, ότι βλέπουν αυτά τα αντικείμενα όπως ήταν λιγότερο από 1000 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Αλλά τι συνέβη μεταξύ αυτών των δύο φωτογραφιών, μεταξύ της απελευθέρωσης της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου 400 000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη και του φωτός που εκπέμφθηκε από αυτούς τους πολύ απομακρυσμένους γαλαξίες, σχεδόν 1000 εκατομμύρια χρόνια αργότερα; Πότε και πως αυτή η κοσμική ομίχλη σηκώθηκε; Τι άλλαξε μια θάλασσα από σωματίδια χωρίς καμιά δομή σε ένα Σύμπαν που φωτίζεται από αναρίθμητα αστέρια στους νεαρούς γαλαξίες;

Σχεδιάγραμμα της κοσμικής
ιστορίας. Κάνε κλικ για
μεγέθυνση

Αυθεντική εικόνα, ευγενική
χορηγία των SG Djorgovski και
Digital Media Center, Caltech

Ο Abraham Loeb, σαν αστρονόμος του Πανεπιστημίου Harvard το θέτει ως: “Η κατάσταση που αντιμετωπίζουν οι αστρονόμοι είναι παρόμοια με το να έχεις ένα άλμπουμ φωτογραφιών που περιέχει την πρώτη εικόνα από υπερήχους ενός αγέννητου μωρού και μερικές φωτογραφίες του ίδιου προσώπου σαν έφηβος και σαν ενήλικας” (Loeb, 2006). Αυτό που οι επιστήμονες δεν ξέρουν – αλλά προσπαθούν να καταλάβουν – είναι πότε και πως γεννήθηκαν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες. Ο Loeb συνεχίζει: “Οι αστρονόμοι τώρα ψάχνουν για τις χαμένες σελίδες του κοσμικού φωτο-άλμπουμ, που θα δείξει πως εξελίχθηκε το Σύμπαν κατά την νηπιακή του ηλικία και φτιάχτηκαν τα δομικά του στοιχεία, οι γαλαξίες όπως και ο δικός μας Γαλαξίας.

Πριν δημιουργηθούν τα αστέρια, το Σύμπαν περιείχε κυρίως υδρογόνο, ήλιο και κάποια ίχνη από ελαφρά στοιχεία (όπως περιγράφεται στο Rebusco et al., 2007). Για να ιονισθεί το υδρογόνο χρειάζεται ενέργεια 13.6 eV – το είδος της ενέργειας που αντιστοιχεί σε φωτόνια υπεριώδους (UV). Επομένως οτιδήποτε επανιόνισε στο Σύμπαν πρέπει να απελευθέρωσε σημαντικές ποσότητες υπεριώδους ακτινοβολίας.

Παρόλο που οι αστρονόμοι είναι ακόμη αβέβαιοι για το τι μπορεί να έχει απελευθερώσει τόση ιονίζουσα UV ακτινοβολία, υποπτεύονται ότι αυτό ήταν είτε τα πρώτα, πολύ καυτά, αστέρια είτε πρώιμες μαύρες τρύπες, απελευθερώνοντας τεράστιες ποσότητες UV ακτινοβολίας καθώς η ύλη έπεφτε πάνω τους. Αν είναι έτσι τα πράγματα, τα αστέρια θα πρέπει να είχαν σχηματισθεί πριν την εποχή του επανιονισμού – έτσι αν μπορούμε να βρούμε την ηλικία του επανιονισμού, έχουμε τουλάχιστον την τελευταία ημερομηνία του σχηματισμού των πρώτων αστεριών.

Το υπεριώδες αποτύπωμα

Λεπτομερής, εικόνα όλου του
ουρανού του νηπιακού
Σύμπαντος που
δημιουργήθηκε από
δεδομένα πέντε χρόνων του
WMAP. Η εικόνα
αποκαλύπτει τις
διακυμάνσεις της
θερμοκρασίας πριν από 13.7
δισεκατομμύρια χρόνια (οι
κόκκινες περιοχές είναι οι
θερμότερες και οι μπλε οι
ψυχρότερες) που
αντιστοιχούν στους σπόρους
που μεγάλωσαν για να
γίνουν οι γαλαξίες

Χορηγία εικόνας από NASA /
WMAP Science Team

Το 1965, οι Αμερικάνοι αστρονόμοι James Gunn και Bruce Peterson προέβλεψαν ότι το φάσμα των κβάζαρ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό του χρόνου του τελικού σταδίου της εποχής του επανιονισμού. Τα κβάζαρ είναι πολύ απομακρυσμένοι και αρχαίοι γαλαξίες με εξαιρετική φωτεινότητα, θεωρείται ότι παίρνουν ενέργεια από ύλη που πέφτει σε γιγάντιες μαύρες τρύπες στο κέντρο τους. Αν τα κβάζαρ είναι τόσο απομακρυσμένα ώστε το φως που εμείς παρατηρούμε δραπέτευσε κατά την διάρκεια της ‘σκοτεινής εποχής’, το υπεριώδες τους φως θα έχει απορροφηθεί από το ουδέτερο υδρογόνο που υπήρχε εκείνη την εποχή, αν τα κβάζαρ είναι πιο κοντά και το φως που παρατηρούμε εκπέμφθηκε μόνο μετά τον επανιονισμό, δεν θα υπήρχε ουδέτερο υδρογόνο για να το εμποδίσουν (δες διάγραμμα παρακάτω). (Ας σημειωθεί ότι καθώς τα άτομα του ουδέτερου υδρογόνου απορροφούν όλα τα μήκη φωτός, τα περισσότερα μήκη κύματος απελευθερώνονται πάλι. Το υπέρυθρο φως, αντίθετα, ιονίζει τα άτομα και απορροφάται τελείως).

Αν ακόμη και ένα μικρό μέρος του διαγαλαξιακού μέσου (λιγότερο από ένα μέρος ανά εκατομμύριο) ήταν ουδέτερο όταν τα κβάζαρ απελευθέρωναν το φως που τώρα βλέπουμε στη Γη, αυτό θα είχε αφήσει ένα σημαντικό αποτύπωμα του φάσματος – ένα έλλειμμα στο φως στο υπεριώδες, γνωστό σαν ελάχιστο Gunn-Peterson.

Έτσι οι James Gunn και Bruce Peterson προέβλεψαν ότι τα κβάζαρ πέρα από μια ορισμένη απόσταση από την Γη, για την οποία παρατηρούμε φως που ελευθερώθηκε πριν να τελειώσει ο επανιονισμός, θα έδειχναν μια ‘λακκούβα’ στο φάσμα τους. Τα κβάζαρ που είναι πιο κοντά από αυτή την απόσταση δεν θα έδειχνα τέτοιο ελάχιστο – απελευθέρωσαν την ενέργειά που παρατηρούμε στη Γη αμέσως μετά που τέλειωσε ο επανιονισμός.

Το 2001, μια ομάδα επιστημόνων καθοδηγούμενη από τον Robert Becker από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, ΗΠΑ, επιβεβαίωσε την πρόβλεψη των Gunn και Peterson: ανίχνευσαν ένα ευκρινές ελάχιστο στο φάσμα των πολύ απομακρυσμένων κβάζαρ που ανακαλύφθηκαν κατά την Sloan Digital Sky Surveyw3, μια τεράστια αστρονομική έρευνα που μελέτησε το φάσμα περίπου 10 000 κβάζαρ. Το ελάχιστο ήταν στο υπέρυθρο μέρος του φάσματος, επειδή τα κβάζαρ βρίσκονται πολύ μακριά, το ταξίδι του φωτός ξεκίνησε προς τη Γη μόνο 900 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και έτσι χρειάστηκε 13 000 εκατομμύρια χρόνια για να μας φτάσει, κατά την διάρκεια των οποίων το αρχικό του υπεριώδες φως πήγε στο υπέρυθρο (κοκκίνισε) με την διαστολή του Σύμπαντος. Τα κβάζαρ που είναι ελαφρά πιο κοντά στη Γη δεν εμφανίζουν τέτοιο ελάχιστο. Αυτό έδειξε ότι τα τελευταία απομεινάρια του ουδέτερου υδρογόνου στο Σύμπαν ιονίσθηκαν περίπου 900 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Το αποτύπωμα μικροκυμάτων

Το φαινόμενο του
επανιονισμού στο φάσμα
των κβάζαρ. Κάνε κλικ για
μεγέθυνση

Χορηγία εικόνας από SG
Djorgovski και Digital Media
Center, Caltech

Η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου που απελευθερώθηκε αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη είναι μια ακόμη πηγή πληροφορίας για την εποχή του επανιονισμού.

Καθώς το Σύμπαν ξεκίνησε να επανιονίζεται, τα ηλεκτρόνια που απελευθερώθηκαν επηρέασαν την πόλωση του φωτός. Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με ένα φωτόνιο με μια διαδικασία που λέγεται σκέδαση Thomson, το ηλεκτρόνιο επιταχύνεται και το προσπίπτον φως πολώνεται κατά την διεύθυνση της κίνησης του ηλεκτρονίου. Αυτό το φαινόμενο ήταν περισσότερο καταφανές κατά την διάρκεια και αμέσως μετά τον επανιονισμό. Αργότερα, επειδή το Σύμπαν συνέχισε να διαστέλλεται, η πυκνότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων μειώθηκε, ελαττώνοντας την πολωτική τους ικανότητα.

Μεταξύ 2001 και 2006, ο δορυφόρος WMAPw1χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη του βαθμού πόλωσης της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Παρατηρώντας σε διαφορετικές συχνότητες του φωτός, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να δουν τις διαφορετικές περιόδους της ιστορίας του Σύμπαντος – και ο βαθμός της πόλωσης έδωσε μια ένδειξη της πυκνότητας των ελεύθερων ηλεκτρονίων γύρω από εκείνη την περίοδο (μεγαλύτερη πόλωση, μεγαλύτερη πυκνότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων). Από αυτές τις μελέτες, συμπέραναν ότι ο επανιονισμός ξεκίνησε 400 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και ολοκληρώθηκε 400 με 500 εκατομμύρια χρόνια αργότερα. Αυτά είναι σε συμφωνία με τα ευρήματα από τις μελέτες με τα κβάζαρ: 900 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Μελλοντικές έρευνες

Στις 14 Μαΐου 2009, η Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESAw4)εκτόξευσε τον δορυφόρο Planckw5 για να μας παρέχει φωτογραφίες της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου με ακόμη καλύτερη ευαισθησία και γωνιακή αναλυτικότητα από ότι πέτυχε ο WMAP. Σίγουρα θα βοηθήσει του αστρονόμους να απαντήσουν με περισσότερες λεπτομέρειες στην ερώτηση πως το Σύμπαν εξελίχθηκε από μια πυρακτωμένη σούπα σε αυτό που βλέπουμε σήμερα.

Παρόλο που ο χρόνος που συνέβη ο επανιονισμός έχει εξακριβωθεί με επιτυχία, μια φωτογραφία του Σύμπαντος αυτής της εποχής ακόμη μας λείπει, καθώς τα υπάρχοντα τηλεσκόπια δεν είναι ικανά να την τραβήξουν. Τα καλά νέα, εντούτοις, είναι ότι το Νότιο Ευρωπαϊκό Παρατηρητήριο (European Southern Observatory – ESO), μαζί με αστρονόμους και μηχανικούς από όλη την Ευρώπη, ασχολούνται στο σχεδιασμό του Εξαιρετικά Μεγάλου Ευρωπαϊκού Τηλεσκοπίου (European Extremely Large Telescopew6), με διάμετρο 42 m, που θα μας επιτρέψει να δούμε τόσο πίσω στο χρόνο και πιθανόν να δούμε το πρώτο φως αστεριού.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το δορυφόρο WMAP, δες: http://map.gsfc.nasa.gov
  • w2 – Σύνοψη της εργασίας των John Mather και George Smoot στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου με το COBE και σύνδεσμοι για περισσότερες πληροφορίες δίνονται στην ανακοίνωση του Βραβείου Νόμπελ: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/press.html
  • w3 – Το Sloan Digital Sky Survey είναι η πλέον φιλόδοξη αστρονομική έρευνα που έγινε ποτέ. Όταν ολοκληρωθεί, θα μας δώσει λεπτομερείς οπτικές εικόνες που θα καλύπτουν περισσότερο από το ένα τέταρτο του ουρανού, και ένα τρισδιάστατο χάρτη περίπου ενός εκατομμυρίου γαλαξιών και κβάζαρ. Καθώς η έρευνα είναι σε εξέλιξη, τα δεδομένα ανακοινώνονται στην επιστημονική κοινότητα και στο κοινό κάθε χρόνο. Δες: www.sdss.org
  • w4 – Για περισσότερες πληροφορίες για το European Space Agency, δες: www.esa.int
  • w5 – Για να μάθεις περισσότερα για το δορυφόρο Planck, δες: www.esa.int/esaSC/120398_index_0_m.html
  • w6 – Για περισσότερες πληροφορίες για το έργο της ESO: Extremely Large Telescope, δες: www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/e-elt.html

Resources

  • Ο δικτυακός τόπος της NASA για το WMAP δίνει μερικές πηγές για δασκάλους, περιλαμβανομένων μιας σύντομης περίληψης του προγράμματος WMAP και ενός φουσκωτού προτύπου του Σύμπαντος. Δες: http://map.gsfc.nasa.gov/resources/edresources1.html
  • Για ένα πλήρη κατάλογο άρθρων στο Science in School σχετικά με την σύντηξη και την εξέλιξη του Σύμπαντος, δες: www.scienceinschool.org/fusion
  • Αν σου άρεσε αυτό το άρθρο, ίσως σου αρέσει επίσης να ψάξεις όλα τα επιστημονικά θέματα που εκδόθηκαν νωρίτερα στο Science in School. Δες: www.scienceinschool.org/sciencetopics
  • Ίσως να σου αρέσουν τα επόμενα άρθρα:
  • Larson RB, Bromm V (2001)The first stars in the Universe. Scientific American Dec: 64-71. Το άρθρο είναι διαθέσιμο για μεταφόρτωση από www.astro.yale.edu/larson/papers/SciAm01.pdf
  • Madau P (2006) Astronomy: trouble at first light. Nature 440: 1002-1003. doi:10.1038/4401002a. Μεταφόρτωσε αυτό το άρθρο χωρίς χρέωση εδώ,ή γίνε συνδρομητής στο Nature σήμερα: www.nature.com/subscribe
  • Scannapieco E, Petitjean P, Broadhurst T (2002) The emptiest places. Scientific American Oct: 56-63. Το άρθρο είναι διαθέσιμο για μεταφόρτωση από http://scannapieco.asu.edu/papers/sciam.pdf

Institution

ESO

Author(s)

Ο Henri Boffin είναι αστρονόμος και δημοσιογράφος με εκτεταμένη διεθνή εμπειρία στην έρευνα. Σαν υπεύθυνος δημοσίων πληροφοριών για το Very Large Telescope και European Extremely Large Telescope της ESO, αφιερώνει τον εαυτό του στην έρευνα και στην επικοινωνία της επιστήμης. Είναι ο συγγραφέας αρκετών δημοφιλών άρθρων στο Science in School.

Η Ana Lopes είναι συνεργαζόμενη εκδότης στο Nature, το διεθνές εβδομαδιαίο περιοδικό της επιστήμης. Έχει σπουδάσει Φυσική στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Λισσαβόνας, και έχει διδακτορικό στην αστροφυσική από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, στην Μεγάλη Βρετανία. Η Ana είναι πρώην επιστημονικός δημοσιογράφος στην ESO


Review

Αυτό το άρθρο προσφέρει ενδιαφέρουσες και λεπτομερείς πληροφορίες για τις σύγχρονες έρευνες σχετικά με την ιστορία του Σύμπαντος και την εξέλιξή του. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθέι για διαθεματική διδασκαλία φυσικής, αστρονομίας, αστροφυσικής ή φιλοσοφίας. Επίσης καθώς παρέχει αξιόλογες βασικές πληροφορίες, οι δάσκαλοι θα μπορούσαν να το χρησιμοποιήσουν για να αναπτύξουν εκπαιδευτικό υλικό.


Βαγγέλης Κολτσάκης, Ελλάδα.




License

CC-BY-NC-ND