Με την πάροδο του χρόνου από δεξιά προς τα αριστερά, αυτή η οπτικοποίηση δείχνει το σχηματισμό των πρώτων αστεριών από μια ομίχλη ουδέτερου υδρογόνου μετά την Κοσμική Αυγή του σύμπαντος.
(Εικόνα: © NASA / STScI)
Ο Paul Sutter είναι αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο και επικεφαλής επιστήμονας στο επιστημονικό κέντρο COSI. Ο Sutter είναι επίσης οικοδεσπότης του Ask a Spaceman and Space Radio και ηγείται των AstroTours σε όλο τον κόσμο. Ο Sutter συνέβαλε αυτό το άρθρο στις εξειδικευμένες φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Ίσως η μεγαλύτερη αποκάλυψη τα τελευταία εκατό χρόνια της μελέτης του σύμπαντος είναι ότι το σπίτι μας αλλάζει και εξελίσσεται με το χρόνο. Και όχι μόνο με μικρούς, ασήμαντους τρόπους όπως τα αστέρια που κινούνται, τα σύννεφα αερίων που συμπιέζονται και τα τεράστια αστέρια που πεθαίνουν σε κατακλυσμικές εκρήξεις. Όχι, ολόκληρος ο κόσμος μας έχει αλλάξει τον θεμελιώδη χαρακτήρα του περισσότερες από μία φορές στο μακρινό παρελθόν, αλλάζοντας εντελώς την εσωτερική του κατάσταση σε μια παγκόσμια - δηλαδή, παγκόσμια - κλίμακα.
Ας πάρουμε, για παράδειγμα, το γεγονός ότι κάποτε στο ομιχλώδες, αδιανόητο παρελθόν, δεν υπήρχαν αστέρια.
Πριν από το πρώτο φως
Γνωρίζουμε αυτό το απλό γεγονός λόγω της ύπαρξης του κοσμικού φόντου μικροκυμάτων (CMB), ενός λουτρού αδύναμης αλλά επίμονης ακτινοβολίας που απορροφά ολόκληρο το σύμπαν. Εάν συναντήσετε ένα τυχαίο φωτόνιο (λίγο φως), υπάρχει μια καλή πιθανότητα να είναι από το CMB - ότι το φως καταλαμβάνει περισσότερο από 99,99 τοις εκατό όλης της ακτινοβολίας στο σύμπαν. Είναι ένα εναπομείναν λείψανο από όταν το σύμπαν ήταν μόλις 270.000 ετών, και μετάβαση από ένα ζεστό, βρασμένο πλάσμα σε μια ουδέτερη σούπα (χωρίς θετικό ή αρνητικό φορτίο). Αυτή η μετάβαση απελευθέρωσε την καυτή ακτινοβολία που, κατά τη διάρκεια 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, ψύχθηκε και απλώθηκε στα μικροκύματα, δίνοντάς μας το φως του φόντου που μπορούμε να ανιχνεύσουμε σήμερα. [Cosmic Microwave Background: Big Bang Relic Explained (Infographic)]
Τη στιγμή της κυκλοφορίας του CMB, το σύμπαν ήταν περίπου το ένα εκατομμύριο του παρόντος όγκου του και χιλιάδες βαθμούς πιο ζεστό. Ήταν επίσης σχεδόν εντελώς ομοιόμορφο, με διαφορές πυκνότητας όχι μεγαλύτερες από 1 μέρος στα 100.000.
Έτσι, όχι ακριβώς μια κατάσταση όπου τα αστέρια θα μπορούσαν ευτυχώς να υπάρχουν.
Οι σκοτεινοί χρόνοι
Στα εκατομμύρια χρόνια μετά την απελευθέρωση του CMB (στοργικά γνωστό ως «ανασυνδυασμός» σε κύκλους αστρονομίας, λόγω ιστορικής παρεξήγησης ακόμη και παλαιότερων εποχών), το σύμπαν ήταν σε περίεργη κατάσταση. Υπήρχε ένα επίμονο λουτρό από λευκή-καυτή ακτινοβολία, αλλά αυτή η ακτινοβολία κρυβόταν γρήγορα καθώς το σύμπαν συνέχισε την αξεπέραστη επέκτασή του. Υπήρχε, φυσικά, σκοτεινή ύλη, που απασχολούσε τη δουλειά της. Και υπήρχε το τώρα ουδέτερο αέριο, σχεδόν εξ ολοκλήρου υδρογόνο και ήλιο, που τελικά απελευθερώθηκε από τους αγώνες του με την ακτινοβολία και ελεύθερο να κάνει όπως ήθελε.
Και αυτό που με ευχαρίστησε ήταν να κάνουμε παρέα με όσο το δυνατόν περισσότερα. Ευτυχώς, δεν χρειάστηκε να δουλέψει πολύ σκληρά: Στο εξαιρετικά πρώιμο σύμπαν, οι μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις διευρύνθηκαν για να γίνουν απλώς μικρές διαφορές στην πυκνότητα (και γιατί αυτό συνέβη είναι μια ιστορία για μια άλλη μέρα). Αυτές οι μικρές διαφορές πυκνότητας δεν επηρέασαν τη μεγαλύτερη κοσμολογική επέκταση, αλλά επηρέασαν τη ζωή αυτού του ουδέτερου υδρογόνου. Κάθε ένα έμπλαστρο που ήταν ελαφρώς πυκνότερο από το μέσο όρο - ακόμη και από ένα μικρό, μικρό - είχε μια ελαφρώς ισχυρότερη βαρυτική έλξη στους γείτονές του. Αυτή η ενισχυμένη έλξη ενθάρρυνε περισσότερο αέριο να συμμετάσχει στο πάρτι, το οποίο ενίσχυσε τη βαρυτική έλξη, η οποία ενθάρρυνε ακόμη περισσότερους γείτονες και ούτω καθεξής.
Όπως η δυνατή μουσική σε ένα πάρτι στο σπίτι που λειτουργεί ως τραγούδι σειρήνας για να ενθαρρύνει περισσότερους οπαδούς, κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων ετών το πλούσιο αέριο έγινε πλουσιότερο και το φτωχό αέριο έγινε φτωχότερο. Μέσω της απλής βαρύτητας, αναπτύχθηκαν μικροσκοπικές διαφορές πυκνότητας, δημιουργώντας τους πρώτους ογκώδεις συσσωματώσεις της ύλης και εκκενώνοντας το περιβάλλον τους.
Η «κοσμική αυγή» σπάει
Κάπου, κάπου, κάποιο κομμάτι ουδέτερου υδρογόνου έγινε τυχερό. Συσσωρεύοντας στρώματα πάνω σε συντριπτικά στρώματα από μόνη της, ο εσωτερικός πυρήνας έφτασε σε μια κρίσιμη θερμοκρασία και πυκνότητα, αναγκάζοντας τους ατομικούς πυρήνες μαζί σε ένα περίπλοκο σχέδιο, αναφλέγοντας σε πυρηνική σύντηξη και μετατρέποντας την πρώτη ύλη σε ήλιο. Αυτή η άγρια διαδικασία απελευθέρωσε επίσης λίγη ενέργεια, και σε ένα λεπτό γεννήθηκε το πρώτο αστέρι.
Για πρώτη φορά από τα πρώτα δεκάδες λεπτά του Big Bang, πραγματοποιήθηκαν πυρηνικές αντιδράσεις στο σύμπαν μας. Νέες πηγές φωτός, διάσπαρτες τον Κόσμο, πλημμύρισαν τα κενά κενά με ακτινοβολία. Αλλά δεν είμαστε ακριβώς σίγουροι πότε συνέβη αυτό το σημαντικό γεγονός. Οι παρατηρήσεις αυτής της εποχής είναι εξαιρετικά δύσκολες. Πρώτον, οι τεράστιες κοσμολογικές αποστάσεις εμποδίζουν ακόμη και τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια μας να παρατηρήσουν αυτό το πρώτο φως. Αυτό που το κάνει χειρότερο είναι ότι το πρώιμο σύμπαν ήταν σχεδόν εντελώς ουδέτερο και το ουδέτερο αέριο δεν εκπέμπει πολύ φως. Μόλις πολλές γενιές αστεριών κολλήσουν μαζί για να σχηματίσουν γαλαξίες, μπορούμε ακόμη και να πάρουμε μια αμυδρό υπόδειξη αυτής της σημαντικής εποχής.
Υποψιαζόμαστε ότι τα πρώτα αστέρια σχηματίστηκαν κάπου μέσα στα πρώτα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος. Δεν είναι πολύ αργότερα που έχουμε άμεσες παρατηρήσεις γαλαξιών, ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες και ακόμη και τις αρχές των συστάδων γαλαξιών - τις πιο τεράστιες δομές που τελικά προκύπτουν στο σύμπαν. Κάποια στιγμή πριν από αυτά έπρεπε να φτάσουν τα πρώτα αστέρια, αλλά όχι πολύ νωρίς, επειδή οι ταραχώδεις συνθήκες του βρεφικού σύμπαντος θα είχαν αποτρέψει τον σχηματισμό τους.
Πάνω από τον ορίζοντα
Αν και το επερχόμενο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα είναι σε θέση να εντοπίσει τους πρώτους γαλαξίες με εξαιρετική ακρίβεια, προσφέροντας πληθώρα δεδομένων για το πρώιμο σύμπαν, το στενό οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου δεν θα μας δώσει ολόκληρη την εικόνα αυτής της εποχής. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι μερικοί από τους πρώτους γαλαξίες μπορεί να περιέχουν απομεινάρια από τα πρώτα αστέρια - ή ακόμα και τα ίδια τα αστέρια - αλλά θα πρέπει να περιμένουμε και (κυριολεκτικά) να δούμε.
Ο άλλος τρόπος για να ξεκλειδώσετε την κοσμική αυγή είναι μέσω ενός εκπληκτικού παράξενου ουδέτερου υδρογόνου. Όταν οι κβαντικές περιστροφές του ηλεκτρονίου και του πρωτονίου αναστρέφονται τυχαία, το υδρογόνο εκπέμπει ακτινοβολία πολύ συγκεκριμένου μήκους κύματος: 21 εκατοστά. Αυτή η ακτινοβολία μας επιτρέπει να χαρτογραφήσουμε τσέπες ουδέτερου υδρογόνου στον σύγχρονο Γαλαξία μας, αλλά οι ακραίες αποστάσεις από την κοσμική εποχή της αυγής θέτουν εντελώς διαφορετική πρόκληση.
Το πρόβλημα είναι ότι το σύμπαν έχει επεκταθεί από εκείνη τη μακρά νεκρή εποχή, η οποία προκαλεί όλη την διαγαλαξιακή ακτινοβολία να εκτείνεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Σήμερα, αυτό το αρχέγονο ουδέτερο σήμα υδρογόνου έχει μήκος κύματος περίπου 2 μέτρα, τοποθετώντας το σήμα σταθερά στις ραδιο ζώνες. Και πολλά άλλα πράγματα στο σύμπαν - σουπερνόβα, γαλαξιακά μαγνητικά πεδία, δορυφόροι - είναι αρκετά δυνατά στις ίδιες συχνότητες, αποκρύπτοντας το εξασθενημένο σήμα από τα πρώτα χρόνια του σύμπαντος.
Υπάρχουν πολλές αποστολές σε όλο τον κόσμο που προσπαθούν να φιλοξενηθούν σε αυτό το ζουμερό σήμα κοσμικής αυγής, να ανακαλύψουν τον αρχέγονο ψίθυρό του από τη σημερινή κακοφωνία και να αποκαλύψουν τη γέννηση των πρώτων αστεριών. Αλλά για τώρα, θα πρέπει απλώς να περιμένουμε και να ακούσουμε.
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "Τι ξύπνησε η κοσμική αυγή;" στο podcast Ask A Spaceman, διαθέσιμο στο iTunes και στον Ιστό στη διεύθυνση http://www.askaspaceman.com. Χάρη στην Joyce S. για τις ερωτήσεις που οδήγησαν σε αυτό το κομμάτι! Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας τον Paul @ PaulMattSutter και το facebook.com/PaulMattSutter. Ακολουθήστε μας @Spacedotcom, Facebook και Google+. Αρχικό άρθρο στο Space.com.
