Τα όρια της αστρονομίας διευρύνονται τακτικά στις μέρες μας χάρη στα τηλεσκόπια νέας γενιάς και τις επιστημονικές συνεργασίες. Ακόμα κι έτσι, οι αστρονόμοι περιμένουν ακόμα να ξεδιπλώσουν το πέπλο των κοσμικών “σκοτεινών αιώνων”, οι οποίοι διήρκεσαν από περίπου 370.000 έως 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όπου το Σύμπαν ήταν καλυμμένο με ουδέτερο υδρογόνο που κάλυπτε το φως. Τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες σχηματίστηκαν κατά την ίδια περίοδο (περίπου 100 έως 500 εκατομμύρια χρόνια), διαλύοντας σιγά-σιγά το “σκοτάδι”.
Η περίοδος αυτή είναι γνωστή ως Εποχή του Επαναϊονισμού, ή όπως την αποκαλούν πολλοί αστρονόμοι: Κοσμική Αυγή.
Διερευνώντας αυτή την περίοδο με προηγμένα ραδιοτηλεσκόπια, οι αστρονόμοι θα αποκτήσουν πολύτιμες πληροφορίες για το πώς σχηματίστηκαν και εξελίχθηκαν οι πρώτοι γαλαξίες. Αυτός είναι ο σκοπός του Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), ενός ραδιοτηλεσκοπίου αφιερωμένου στην παρατήρηση της μεγάλης κλίμακας δομής του σύμπαντος κατά τη διάρκεια και πριν από την Εποχή του Επαναϊονισμού που βρίσκεται στην έρημο Karoo στη Νότια Αφρική. Σε μια πρόσφατη δημοσίευση, η HERA Collaboration αναφέρει πώς διπλασίασε την ευαισθησία της συστοιχίας και πώς οι παρατηρήσεις τους θα οδηγήσουν στον πρώτο τρισδιάστατο χάρτη της Κοσμικής Αυγής.
Η HERA Collaboration είναι μια διεθνής κοινοπραξία που αποτελείται από αστρονόμους και αστροφυσικούς από τη Νότια Αφρική, την Αυστραλία, τις ΗΠΑ, το Ηνωμένο Βασίλειο, το Ισραήλ, την Ιταλία και την Ινδία. Επικεφαλής της έρευνας ήταν ο Joshua Dillon, ερευνητής στο Τμήμα Αστρονομίας του UC Berkeley και κύριος συγγραφέας της δημοσίευσης. Η εργασία που περιγράφει την έρευνα και τα ευρήματά τους εμφανίστηκε πρόσφατα στο διαδίκτυο και έχει γίνει δεκτή για δημοσίευση από το Astrophysical Journal. Τα αποτελέσματά τους παρέχουν νέες πληροφορίες για το πώς συνέβη ο επαναϊονισμός στο πρώιμο Σύμπαν.

Από το σκοτάδι στην αυγή
Με βάση τα τρέχοντα κοσμολογικά μοντέλα, το Σύμπαν ξεκίνησε πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια με τη Μεγάλη Έκρηξη, η οποία παρήγαγε μια καταιγίδα ενέργειας και στοιχειωδών σωματιδίων που ψύχθηκαν αργά για να δημιουργήσουν τα πρώτα πρωτόνια και ηλεκτρόνια (τα οποία συνδυάστηκαν για να σχηματίσουν τα πρώτα άτομα υδρογόνου και ηλίου). Η εναπομείνασα “υπολειμματική ακτινοβολία” παρατηρείται σήμερα με τη μορφή του Κοσμικού Μικροκυματικού Υποβάθρου (CMB). Χάρη σε αποστολές όπως οι COBE, WMAP και Planck, οι αστρονόμοι έχουν χαρτογραφήσει τις αμυδρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που υπήρχαν 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Εν τω μεταξύ, χάρη σε αποστολές όπως το Hubble, οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει τους γαλαξίες όπως υπήρχαν περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν). Αυτό έχει οδηγήσει σε μεγαλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίχθηκαν οι γαλαξίες και του πιθανού ρόλου της Σκοτεινής Ύλης και της Σκοτεινής Ενέργειας στη διαδικασία. Ωστόσο, υπάρχει ένα κενό μεταξύ αυτών των παρατηρήσεων της CMB και των πρώιμων γαλαξιών: οι προαναφερθείσες “Σκοτεινές Εποχές” (περίπου 370.000 έως 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη). Αυτή η εποχή δεν μπορεί να μελετηθεί με τα συμβατικά τηλεσκόπια επειδή τα φωτόνια σε αυτή την περίοδο ήταν είτε μέρος της CMB είτε αυτά που απελευθερώνονται από ουδέτερα άτομα υδρογόνου – η γραμμή υδρογόνου των 21 εκατοστών.
Καθώς σχηματίστηκαν σταδιακά τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες, η έντονη ακτινοβολία που εξέπεμπαν επανιονίζει μεγάλο μέρος του περιβάλλοντος Σύμπαντος. Αυτό οδήγησε στην Εποχή του Επαναϊονισμού, όπου το ουδέτερο υδρογόνο άρχισε να σχηματίζει νέφη πλάσματος ελεύθερων ηλεκτρονίων και πρωτονίων. Για τη χαρτογράφηση αυτών των φυσαλίδων, δημιουργήθηκαν το HERA και άλλα εξελιγμένα ραδιοτηλεσκόπια για την παρατήρηση της γραμμής υδρογόνου (η οποία έχει συχνότητα 1.420 megahertz). Αυτό το μήκος κύματος φωτός είναι ένα από τα μήκη κύματος που το ουδέτερο υδρογόνο απορροφά και εκπέμπει, αλλά το ιονισμένο υδρογόνο όχι.
Από την Εποχή του Επαναϊονισμού, η ακτινοβολία αυτή έχει μετατοπιστεί προς το ερυθρό λόγω της διαστολής του Σύμπαντος σε μήκος κύματος περίπου 2 μέτρων. Οι απλές κεραίες του HERA, κατασκευασμένες από κοτετσόσυρμα, σωλήνες PVC και τηλεφωνικούς στύλους, έχουν διάμετρο 14 μέτρα (46 πόδια), επιτρέποντάς τους να εστιάζουν αυτή την ακτινοβολία σε ανιχνευτές. Το backend είναι το σημείο όπου τα πράγματα γίνονται εξελιγμένα, αποτελούμενο από έναν υπερυπολογιστή και αλγορίθμους μηχανικής μάθησης που εκτελούν προηγμένη ανάλυση δεδομένων. Αυτός ο χάρτης θα μπορούσε να παρακολουθήσει τη γαλαξιακή εξέλιξη από το πολύ πρώιμο Σύμπαν μέχρι σήμερα.

Τελευταία ανάλυση
Τα αποτελέσματα της ομάδας έδειξαν ότι τα πρώτα αστέρια, τα οποία μπορεί να σχηματίστηκαν περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, περιείχαν ελάχιστα άλλα στοιχεία εκτός από υδρογόνο και ήλιο. Το εύρημα αυτό είναι σύμφωνο με τα αποδεκτά μοντέλα αστρικής εξέλιξης, τα οποία αναφέρουν ότι τα μέταλλα (από το λίθιο έως το ουράνιο) σχηματίστηκαν μέσα στην πρώτη γενιά των άστρων. Όταν αυτά τα άστρα κατέρρευσαν μετά από μια συγκριτικά σύντομη διάρκεια ζωής (εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια και όχι δισεκατομμύρια), τα μέταλλα αυτά αποβλήθηκαν μαζί με τα εξωτερικά στρώματα των άστρων, σπέρνοντας το Σύμπαν με μέταλλα που έγιναν μέρος των επόμενων γενεών άστρων.
Οι αστρονόμοι ενδιαφέρονται για την ατομική σύνθεση αυτών των πρώτων άστρων, καθώς αυτό θα έδειχνε πόσος χρόνος χρειάστηκε για να θερμάνουν το διαγαλαξιακό μέσο (IGM) και να προκαλέσουν τον επαναϊονισμό. Ένα στοιχείο-κλειδί εδώ είναι η ακτινοβολία υψηλής ενέργειας (κυρίως οι ακτίνες Χ) που παράγεται από τους διπλούς αστέρες μόλις ένας από αυτούς γίνει υπερκαινοφανής, καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα ή έναν αστέρα νετρονίων και τελικά καταναλώσει τον συνοδό τους. Δεδομένου ότι τα πρώτα αστέρια είχαν πολύ λίγα βαρέα στοιχεία (χαμηλή μεταλλικότητα), δεν θα είχαν θερμάνει πολύ τη γύρω περιοχή και θα παρήγαγαν λιγότερες ακτίνες Χ.
Τελικά, η συνεργασία HERA δεν βρήκε στα δεδομένα το σήμα που θα εξέπεμπαν αυτές οι φυσαλίδες. Σύμφωνα με τον Aaron Parsons, κύριο ερευνητή του HERA, αναπληρωτή καθηγητή αστρονομίας στο UC Berkeley και διευθυντή του Εργαστηρίου Ραδιοαστρονομίας, αυτό αποκλείει ορισμένες θεωρίες για το πώς εξελίχθηκαν τα αστέρια στο πρώιμο Σύμπαν. “Οι πρώιμοι γαλαξίες θα πρέπει να ήταν σημαντικά διαφορετικοί από τους γαλαξίες που παρατηρούμε σήμερα για να μην έχουμε δει σήμα”, είπε. “Συγκεκριμένα, τα χαρακτηριστικά τους στις ακτίνες Χ θα πρέπει να έχουν αλλάξει. Διαφορετικά, θα είχαμε εντοπίσει το σήμα που ψάχνουμε”.
Η απουσία του σήματος αποκλείει σε μεγάλο βαθμό τη θεωρία του “ψυχρού επαναϊονισμού”, η οποία υποστηρίζει ότι ο επαναϊονισμός είχε ένα πιο ψυχρό σημείο εκκίνησης. Αντ’ αυτού, οι ερευνητές του HERA υποψιάζονται ότι οι ακτίνες Χ από τα δυαδικά άστρα θέρμαναν πρώτα το διαγαλαξιακό μέσο (IGM). Δήλωσε ο Joshua Dillon, ερευνητής στο Τμήμα Αστρονομίας του UC Berkeley και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης:
“Τα αποτελέσματά μας απαιτούν ότι ακόμη και πριν από τον επανιονισμό και μέχρι και 450 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το αέριο μεταξύ των γαλαξιών πρέπει να είχε θερμανθεί από τις ακτίνες Χ. Αυτές πιθανότατα προέρχονταν από δυαδικά συστήματα όπου το ένα άστρο χάνει μάζα σε μια συνοδευτική μαύρη τρύπα. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι αν αυτό ισχύει, αυτά τα αστέρια πρέπει να είχαν πολύ χαμηλή “μεταλλικότητα”, δηλαδή πολύ λίγα στοιχεία εκτός από το υδρογόνο και το ήλιο σε σύγκριση με τον ήλιο μας, κάτι που είναι λογικό γιατί μιλάμε για μια χρονική περίοδο στο Σύμπαν πριν σχηματιστούν τα περισσότερα από τα άλλα στοιχεία”.

Αυτά τα ευρήματα συμφωνούν με τα προκαταρκτικά αποτελέσματα από την πρώτη ανάλυση των δεδομένων HERA (που αναφέρθηκαν πέρυσι) που υπαινίχθηκε ότι εναλλακτικές θεωρίες όπως ο «Ψυχρός Επανιονισμός» ήταν απίθανες. Αυτά τα αποτελέσματα βασίστηκαν σε 18 νύχτες παρατήρησης από τη Φάση Ι του έργου HERA (περίπου 40 κεραίες) και ήταν οι πιο ευαίσθητες παρατηρήσεις του πρώιμου Σύμπαντος μέχρι σήμερα. Αυτό το τελευταίο βασίζεται σε 94 νύχτες παρατηρήσεων Φάσης Ι (μεταξύ 2017 και 2018) και δείχνει πώς η ομάδα HERA έχει βελτιώσει την ευαισθησία της συστοιχίας.
Αυτό περιλαμβάνει μια αύξηση 2,1 παραγόντων για το φως που εκπέμπεται περίπου 650 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (τιμή μετατόπισης στο κόκκινο (z) 7,9) και μια αύξηση 2,6 παραγόντων για την ακτινοβολία που εκπέμπεται περίπου 450 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (z=10,4) . Αυτό αντιπροσωπεύει ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για την κατανόηση του έργου και των αστρονόμων για το πρώιμο Σύμπαν. Σύμφωνα με τον Eloy de Lera Acedo, έναν αστροφυσικό από το Cavendish Astrophysics του Πανεπιστημίου του Cambridge, αυτές οι τελευταίες παρατηρήσεις είναι η «καλύτερη απόδειξη που έχουμε για τη θέρμανση του διαγαλαξιακού μέσου από πρώιμους γαλαξίες».
Κοιτάω μπροστά
Η ομάδα HERA συνεχίζει να βελτιώνει τη βαθμονόμηση και την ανάλυση δεδομένων του τηλεσκοπίου με την ελπίδα να δει τις προβλεπόμενες φυσαλίδες ιονισμού στο πρώιμο Σύμπαν. Το φιλτράρισμα του τοπικού ραδιοφωνικού θορύβου για να δούμε την ακτινοβολία του πρώιμου Σύμπαντος παραμένει μια πρόκληση, καθώς οι ραδιοεκπομπές από αυτήν την εποχή είναι περίπου το ένα εκατομμυριοστό της έντασης του ραδιοφωνικού θορύβου στην περιοχή της Γης. Όταν όλα τα ραδιοφωνικά πιάτα της HERA είναι online και πλήρως βαθμονομημένα, η ομάδα ελπίζει να κατασκευάσει έναν τρισδιάστατο χάρτη των ιονισμένων και ουδέτερων φυσαλίδων υδρογόνου από περίπου. 200 εκατομμύρια έως 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Μόλις ολοκληρωθεί αυτό, η συνεργασία HERA και άλλοι αστρονόμοι αναμένουν να δουν ένα μοτίβο «ελβετικού τυριού» στο πρώιμο Σύμπαν, όπου οι γαλαξίες κάνουν τρύπες σε ουδέτερο φόντο υδρογόνου. Είπε ο Dillion:
«Αυτό κινείται προς μια δυνητικά επαναστατική τεχνική στην κοσμολογία. Μόλις καταφέρετε να φτάσετε στην ευαισθησία που χρειάζεστε, υπάρχουν τόσες πολλές πληροφορίες στα δεδομένα. Ένας τρισδιάστατος χάρτης του μεγαλύτερου μέρους της φωτεινής ύλης στο σύμπαν είναι ο στόχος για τα επόμενα 50 χρόνια ή περισσότερα. Αυτό που κάναμε είναι ότι είπαμε ότι το τυρί πρέπει να είναι πιο ζεστό από ό,τι αν δεν είχε συμβεί τίποτα. Αν το τυρί ήταν πραγματικά κρύο, αποδεικνύεται ότι θα ήταν πιο εύκολο να παρατηρήσει κανείς αυτή τη ζύμη παρά αν το τυρί ήταν ζεστό».

Άλλα τηλεσκόπια αιχμής επιτρέπουν στους αστρονόμους να ρίξουν μια ματιά στο πρώιμο Σύμπαν. Αυτό περιλαμβάνει το καναδικό πείραμα χαρτογράφησης της έντασης του υδρογόνου (CHIME) στη Βρετανική Κολομβία, το οποίο παρατηρεί επίσης τη γραμμή υδρογόνου 21-cm για να μελετήσει πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν. Υπάρχει επίσης το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST), το οποίο παρατήρησε ένα γαλαξία που υπήρχε περίπου 325 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη το περασμένο καλοκαίρι. Αυτό δημιούργησε ένα νέο ρεκόρ για τον πρωιμότερο γαλαξία που έχει παρατηρηθεί ποτέ. Ωστόσο, το JWST μπορεί να παρατηρήσει μόνο τους λαμπρότερους γαλαξίες αυτής της εποχής, ενώ συστοιχίες όπως το HERA και το CHIME συνεχίζουν να διερευνούν τις “σκοτεινότερες” περιοχές του πρώιμου Σύμπαντος.
“Το HERA συνεχίζει να βελτιώνεται και να θέτει όλο και καλύτερα όρια”, δήλωσε ο Parsons. “Το γεγονός ότι είμαστε σε θέση να συνεχίσουμε να πιέζουμε και έχουμε νέες τεχνικές που συνεχίζουν να αποδίδουν καρπούς για το τηλεσκόπιό μας, είναι σπουδαίο”.
Πηγή: universetoday.com
Ακολουθήστε το Sahiel.gr στο Google News και μάθετε πρώτοι όλες τις ειδήσεις.