Prima raza de lumina din Univers Understand article

Tradus de catre Gabriela Badea. 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.

Fotografii ale Universului

Spectrul electromagnetic
Faceti click pentru a mari
imaginea

Imagine originala obtinuta cu
acordul NASA

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 Fizicaw2.

Satelitul COBE lansat de
NASA pe orbita Pamantului in
1989 pentru a face o inreaga
harta a radiatiilor de
microunde cosmice de fond
rezultate in urma Big
Bangului – in viziunea unui
artist. Rezultatele finale au
fost publicate in 1992

Imagine oferita de echipa de
stiinta NASA / WMAP

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.

In schimb, cand fotonii si electronii sunt separati, cei din urma nu pot capta fotonii si deci avem de-a face cu un Univers plin de gaz ionizat – asa cum se intampla la 400 000 de ani dupa Big Bang, si cum de altfel se intampla astazi, cand este relativ transparent. Hartile furnizate de COBE si WAMP ne arata Universul ca fiind opac in starea lui initiala – acele “epoci intunecate” ale Universului despre care se tot vorbeste. Aceasta perioada a luat sfarsit cand Universul a redevenit ionizat vezi diagrama din dreapta).

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?

O schita a istoriei cosmice.
Faceti Click pentru a mari
imaginea

Imagine originala oferita de SG
Djorgovski si Digital Media
 Center, Caltech

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.

Cu toate ca astronomii sunt inca nesiguri de ceea ce ar fi putut degeja aceasta ratiatie UV, speculatiile se indreapta catre primele stele – gaurile negre, care au degajat uriase cantitati de radiatie ultravioleta pe masura ce absorbeau materiale. Daca aceasta este cauza, stelele trebuie sa se fi format inainte de epoca reionizarii – astfel putem data reionizarea speculand aceasta ultima data a aparitiei primelor stele.

Amprenta ultravioleta

Imagine detaliata a
Universului “copil” creata din
datele colectate de WAMP pe
parcursul a 5 ani. Imaginea
dezvaluie fluctuatii de
temperatura vechi de 13.7
miliarde de ani (regiunile cu
rosu sunt mai calde si cele cu
albastru mai reci), fluctuatii
care corespund semintelor
care au dat nastere galaxiilor

Imagine oferita de echipa de
stiinta NASA / WMAP

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 (see diagram below). (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.)

În cazul în care chiar şi o foarte mică portiune din mediul intergalactic (la fel de mica precum o parte dintr-un milion) a fost neutra atunci când quasarul a eliberat lumina pe care o vedem in prezent de pe Pamant, acest lucru ar fi lăsat o amprentă vizibilă asupra spectrului – o suprimare a luminii ultra-violete, cunoscut sub numele de „efectul Gunn-Peterson”.

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 Surveyw3, 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.

Efectul de reionizare din
spectrul unui quasar. Click
pentru a mari imaginea

Imagine oferita de SG
Djorgovski şi Digital Media
Center, Caltech

Amprenta cu microunde

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.

Între 2001 şi 2006, satelitulw1 WMAP a fost folosit pentru a studia gradul de polarizare a fotonilor fondului de microunde cosmice . Privind la frecvenţele diferite ale luminii, astronomii ar putea sa priveasca diferite perioade din istoria Universului – deoarece ,inclusiv gradul de polaritate da o indicaţie privind densitatea de electroni liberi din jur la momentul respectiv (cu cat mai mare polaritatea, cu atat mai mare densitatea de electroni liberi ). Din aceste studii, s-a ajuns la concluzia că reionizarea a început cu circa 400 milioane de ani dupa Big Bang şi a fost finalizată dupa 400 – 500 milioane de ani. Acest lucru este în acord cu concluziile studiilor quasarilor: 900 milioane ani dupa Big Bang.

Cercetarea viitoare

Pe 14 mai 2009 Agentiaw4 Spaţială Europeană a lansat satelitulw5 Planck pentru a ne oferi o fotografie a radiaţiei cosmice de fond, cu si mai multa sensibilitate şi rezoluţie unghiulară decât au reusit cei de la WMAP. Aceasta va ajuta cu siguranţă astronomii să răspundă mai detaliat la întrebările despre cum a evoluat Universul de la o ‘supă’ stralucitoare la ceea ce vedem astăzi.

Cu toate că momentul în care a avut loc reionizarea a fost identificat cu succes, o fotografie a Universului din acel moment lipseşte încă, deoarece telescoapele actuale nu o pot fotografia. Vestea bună, insa, este că Observatorul European Sudic (ESO), împreună cu astronomi şi ingineri din toată Europa, este de acum implicat în proiectarea Telescopului w6, European Extrem de Mare, cu diametrul de 42 m, care ne va permite să ne uitam înapoi în timp şi, eventual, sa vedem prima stea.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Pentru mai multe informatii despre WMAP satelite, consultati: http://map.gsfc.nasa.gov
  • w2 – Un interviu cu John Mather si George Smoot despre radiatia razelor de microunde cosmice si alte link-uri despre Premiul Nobel: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/press.html
  • w3 – Sloan Digital Sky Survey este cea mai ambiţioasa expeditie astronomica desfăşurata vreodată. Când va fi completa, aceasta va furniza imagini optice detaliate care acoperă mai mult de un sfert din cer, şi o hartă tridimensională de aproximativ un milion de galaxii şi quasari. Pe măsură ce expeditia progreseaza, datele sunt eliberate comunităţii ştiinţifice şi publicului larg, în tranşe anuale. www.sdss.org
  • w4 – Pentru mai multe informatii despre Agentia Spatiala Europeana vedeti: www.esa.int
  • w5 – Pentru a invata mai multe despre Satelitul Planck vedeti: www.esa.int/esaSC/120398_index_0_m.html
  • w6 – Pentru mai multe informatii despre Telescopul Extrem de Mare al ESO, vedeti: www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/e-elt.html

Resources

Institution

ESO

Author(s)

Henri Boffin este un astronom şi ziarist cu o vastă experienţă de cercetare internaţionala. Ca ofiţer de informare publică pentru Telescopul Extrem de Mare de la ESO, el se dedică atât comunicarii stiintifice cat si cercetarii.El este autorul unor articole din cunoscuta revista „Science in School”.

Ana Lopes este editor asociat la Natura, revista internaţională săptămânala de ştiinţa. Ea are o diploma în fizică de la Universitatea Tehnică din Lisabona, Portugalia, şi detine un doctorat în astrofizică de la Universitatea din Oxford, Marea Britanie. Ana a fost anterior jurnalista de ştiinţă la ESO.


Review

Acest articol oferă informaţii interesante şi detaliate despre cercetarea moderna în istoria Universului şi evoluţia sa. Acesta ar putea fi utilizat pentru cursuri interdisciplinare, de exemplu, în fizica, astronomie, astrofizica sau filozofie. Pe langa furnizarea de lectură valoroasa legata de aceasta tema, profesorii l-ar putea folosi pentru a dezvolta materialele educaţionale.


Vangelis Koltsakis, Grecia




License

CC-BY-NC-ND