Το κυνήγι για τους παλαιότερους γαλαξίες στο Σύμπαν

Καθώς η βολίδα της Μεγάλης Έκρηξης επεκτεινόταν και ψύχθηκε, έγινε από άσπρο-καυτή σε κερασιά-κόκκινη προτού τελικά εξασθενίσει σε αόρατο. Το Σύμπαν βυθίστηκε στο σκοτάδι και η προκύπτουσα κοσμική σκοτεινή εποχή επεκτάθηκε ασταμάτητα. Με τον καιρό, το Σύμπαν διπλασιάστηκε σε μέγεθος, διπλασιάστηκε για άλλη μια φορά, ξανά και ξανά, τότε, μια μέρα, συνέβη κάτι εξαιρετικό. Η σκοτεινή εποχή έφτασε στο τέλος της. Σε όλο το μήκος και το πλάτος του Σύμπαντος, τα αστέρια άρχισαν να ανάβουν σαν φώτα σε ένα χριστουγεννιάτικο δέντρο.

Τα πρώτα αστέρια είτε ενώθηκαν κάτω από τη βαρύτητα για να δημιουργήσουν τους πρώτους γαλαξίες, είτε γεννήθηκαν στην πραγματικότητα στα σύννεφα αερίου και σκόνης που αποτελούσαν τους πρώτους γαλαξίες. Και το κυνήγι για την εύρεση αυτών των πρώτων γαλαξιών θερμαίνεται. Ένα έργο – το Re-ionization Lensing Cluster Survey (RELICS) – έχει βρει περίπου 300 γαλαξίες που υπήρχαν τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος. Ένας γαλαξίας συγκεκριμένα είναι τόσο παλιός που το Σύμπαν που καταλάμβανε ήταν μόλις το 3 τοις εκατό της σημερινής ηλικίας του, των 13,82 δισεκατομμυρίων ετών. Τέτοια αντικείμενα εμφανίζονται στα τηλεσκόπια των αστρονόμων σαν επίμονες μετα-εικόνες, με το φως τους να έχει ταξιδέψει στο διάστημα για δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια χρόνια πριν φτάσει σε εμάς.

Διαβάστε περισσότερα:

• Πόσο ύψος είναι το Σύμπαν;
• Ποιο είναι το μικρότερο γνωστό αστέρι στο Σύμπαν;

Πίσω στο χρόνο

Περισσότεροι από 40 αστρονόμοι σε πολλές χώρες έχουν συμμετάσχει στο έργο RELICS, συνεισφέροντας εκατοντάδες ώρες χρόνου παρατήρησης στο διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και στο διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer. Ωστόσο, το κύριο όργανο παρατήρησης είναι το ίδιο το Σύμπαν. Τα βαρυτικά πεδία των τεράστιων σμηνών γαλαξιών που ενισχύουν το Σύμπαν λειτουργούν σαν γιγάντιοι φακοί που εστιάζουν και μεγεθύνουν το φως πιο μακρινών γαλαξιών που συχνά είναι πολύ αμυδρά για να τα δούμε με οποιοδήποτε άλλο μέσο. «Εκμεταλλευόμαστε το τηλεσκόπιο της φύσης», λέει ο Dan Coe, κύριος ερευνητής του RELICS στο Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου στη Βαλτιμόρη.

Για να βρει τα χρήσιμα σμήνη φακών που θα τον βοηθούσαν να εντοπίσει τους παλαιότερους γαλαξίες, ο Coe έψαξε στο αρχείο εικόνων του Hubble και έναν πρόσφατο κατάλογο με περίπου 1.000 σμήνη γαλαξιών που παρατηρήθηκαν από τον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας (ESA). Ο κύριος σκοπός του Planck ήταν να απεικονίσει την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου - τη «μετά λάμψη» της ίδιας της βολίδας της Μεγάλης Έκρηξης - αλλά το «μακρινό υπέρυθρο» φως που έπιασε προέρχεται επίσης από τη θερμή σκόνη σε σμήνη γαλαξιών. «Καταλήξαμε με 41 ογκώδη σμήνη γαλαξιών», λέει ο Coe. "Τους επιλέξαμε για την ακραία μάζα τους, η οποία τους καθιστά εξαιρετικά ισχυρούς βαρυτικούς φακούς."

Στην άμεση γειτονιά κάθε σμήνος βρίσκονται κυριολεκτικά χιλιάδες φανταστικές εικόνες μακρινών γαλαξιών που κατά τύχη έχουν «φακιστεί βαρυτικά» από το σμήνος. Αλλά οι περισσότεροι είναι από γαλαξίες που δεν βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις, και επομένως όχι στο πολύ πρώιμο Σύμπαν. «Το κόλπο για την εύρεση αληθινά αρχαίων αντικειμένων είναι να αναζητήσουμε γαλαξίες με φακούς που εμφανίζονται σε υπέρυθρες εικόνες από εικόνες Hubble και Spitzer, αλλά όχι σε εικόνες Hubble που λαμβάνονται σε ορατά μήκη κύματος», λέει ο Coe. Αλλά για να καταλάβουμε γιατί αυτό αποκαλύπτει εξαιρετικά μακρινούς, εξαιρετικά πρώιμους γαλαξίες, πρέπει να εξετάσουμε την έννοια της «μετατόπισης στο κόκκινο».

Βλέπω κόκκινο

Όταν το Σύμπαν ήταν νεότερο, ήταν μικρότερο. Ο πιο μακρινός γαλαξίας στο RELICS υπήρχε πριν από περισσότερα από 13 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν το Σύμπαν ήταν λιγότερο από το ένα χιλιοστό του σημερινού του μεγέθους. Καθώς το διάστημα επεκτεινόταν εκείνη την εποχή, τέντωσε επίσης το φως από αυτόν τον γαλαξία. Δεδομένου ότι το κόκκινο φως έχει μεγαλύτερο μήκος κύματος από το μπλε φως, το φως τέτοιων γαλαξιών μετατοπίζεται στο κόκκινο άκρο του φάσματος ή «μετατόπιση προς το κόκκινο».

Το φως των πρώιμων γαλαξιών έχει μετατοπιστεί τόσο έντονα προς το κόκκινο που το ορατό φως του εμφανίζεται τώρα ως «υπέρυθρο», σε μήκη κύματος πέρα ​​από το κόκκινο άκρο του φάσματος. Έτσι, οι γαλαξίες έχουν το μοναδικό χαρακτηριστικό ότι είναι αόρατοι για την προηγμένη κάμερα του Hubble για έρευνες, αλλά ορατοί από την κάμερα ευρέος πεδίου 3 του Hubble, η οποία είναι ευαίσθητη στο υπέρυθρο φως. Τα όργανα υπέρυθρης απεικόνισης του Spitzer είναι επίσης σημαντικά για τον προσδιορισμό του εάν οι γαλαξίες βρίσκονται σε εξαιρετικά υψηλή μετατόπιση προς το κόκκινο, ή λιγότερο απόμακροι και απλώς εγγενώς κόκκινοι λόγω σκόνης ή μεγάλης ηλικίας.

Διαβάστε περισσότερα:

• Τα εννέα πιο μυστηριώδη αντικείμενα στο Σύμπαν
• Σκοτεινή ενέργεια κρύβεται στο Σύμπαν μας – εδώ θα τη βρούμε

Ο βαρυτικός φακός που σχηματίζεται από ένα σμήνος γαλαξιών μεγεθύνει σε μια μικροσκοπική περιοχή του νυχτερινού ουρανού, έτσι θα μπορούσε να αναμένεται ότι μια τέτοια περιοχή θα ήταν πιο πιθανό να περιέχει κενό χώρο από οποιονδήποτε γαλαξία στο μακρινό Σύμπαν. Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι οι γαλαξίες στο πρώιμο Σύμπαν ήταν πολύ μικρότεροι και πολύ πιο πολλοί, οπότε στην πραγματικότητα υπάρχει μια καλή πιθανότητα να εμφανιστούν στο οπτικό πεδίο οποιουδήποτε δεδομένου βαρυτικού φακού. Αυτό εξηγεί γιατί το RELICS δεν έχει βρει μια χούφτα γαλαξίες, αλλά περίπου 300. Αυτοί χρονολογούνται από τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του Σύμπαντος και περιλαμβάνουν τους λαμπρότερους που έχουν παρατηρηθεί ποτέ από εκείνη την εποχή.

Μεταξύ των 300 γαλαξιών είναι και ο μάλλον χωρίς φαντασία ονομασία SPT0615-JD. Έχει μια ερυθρή μετατόπιση 10, πράγμα που σημαίνει ότι υπήρχε όταν το παρατηρήσιμο Σύμπαν ήταν λιγότερο από το ένα δέκατο της τρέχουσας διαμέτρου του και μόνο περίπου 400 εκατομμύρια χρόνια (ο σημερινός γαλαξίας που κατέχει ρεκόρ, που βρέθηκε σε προηγούμενη έρευνα, έχει στην πραγματικότητα μια μετατόπιση προς το κόκκινο από 11). Το φαινόμενο του φακού έχει παραμορφώσει τον γαλαξία σε ένα εκτεταμένο «τόξο» και ο Coe λέει ότι θα χρειαστούν περαιτέρω παρατηρήσεις για να διακρίνει τυχόν λεπτομέρειες. Ωστόσο, είναι ήδη προφανές ότι ο SPT0615-JD δεν μοιάζει με έναν σημερινό γαλαξία. Είναι μόνο το ένα εικοστό της διαμέτρου του Γαλαξία, έχει λιγότερο από το ένα εκατοστό της μάζας του και τίποτα από την κανονικότητά του. Στην πραγματικότητα, ο Coe και οι συνεργάτες του το αναφέρουν ως «μουτζούρα». Οι άλλοι 300 περιττοί γαλαξίες είναι εξίσου μικροί.

Αν είχαμε μια μηχανή του χρόνου και μπορούσαμε να επιστρέψουμε σε μια μετατόπιση 10, θα βρισκόμασταν σε ένα διαφορετικό Σύμπαν. Δεν θα υπήρχαν γαλαξίες με διακριτές δομές όπως οι σημερινοί «γίγαντες ελλειπτικές» και «σπείρες». Στη θέση τους θα βλέπαμε μικροσκοπικές, άτακτες σταγόνες, συχνά λιγότερο από το ένα εκατοστό της διαμέτρου του Γαλαξία μας. Τέτοιοι γαλαξίες θα υφίστανται σχηματισμό άστρων με θηριώδη ρυθμό, συχνά εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές ταχύτεροι από τους γαλαξίες στο σημερινό Σύμπαν. Υπάρχουν τουλάχιστον δύο λόγοι για αυτό. Πρώτον, το αέριο –η πρώτη ύλη των αστεριών– ήταν άφθονο. Δεύτερον, οι γαλαξίες με μετατόπιση προς το κόκκινο 10 ήταν χιλιάδες φορές πιο πολλοί από τους σημερινούς γαλαξίες και πολύ πιο κοντά μεταξύ τους, με αποτέλεσμα συχνές συγκρούσεις και συγχωνεύσεις, οι οποίες προκάλεσαν έντονες περιόδους σχηματισμού αστεριών.

Το γεγονός ότι οι συγχωνεύσεις ήταν ένα τόσο κυρίαρχο χαρακτηριστικό του πρώιμου Σύμπαντος μπορεί να μας πει κάτι σημαντικό για τους γαλαξίες εκείνης της εποχής. «Πολύ πιθανόν, βλέπουμε τα δομικά στοιχεία των σημερινών γαλαξιών», λέει ο Coe. «Καθώς περνούσε ο καιρός, αυτοί οι αρχαίοι γαλαξίες προορίζονταν να συγκρουστούν και να συγχωνευθούν ξανά και ξανά. Στην πραγματικότητα, ο Γαλαξίας μας θα μπορούσε κάλλιστα να έχει υποστεί χιλιάδες τέτοιες συγχωνεύσεις για να φτάσει στο σημερινό του μέγεθος.”

Σύμφωνα με τον Coe, δεν έχουμε δει ακόμη τους πρώτους γαλαξίες, καθώς ακόμη και οι πρώτοι γαλαξίες που έχουμε βρει περιέχουν παλαιότερα, φωτεινά κόκκινα αστέρια που πλησιάζουν στο τέλος της ζωής τους. Οι πρώτοι γαλαξίες θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί μόλις 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η καλύτερη ελπίδα για να τα βρούμε, λέει ο Coe, είναι με τη χρήση του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb, του διαδόχου του Hubble, το οποίο αναμένεται να εκτοξευτεί το 2021. Με τον κύριο καθρέφτη του 6,5 μέτρων, θα περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο στην ονομάζεται σημείο Lagrange-2, περίπου ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα από τη Γη. Τα σημεία Lagrange είναι περιοχές στο διάστημα όπου η βαρύτητα από τον Ήλιο και τη Γη εξισορροπεί την τροχιακή κίνηση ενός δορυφόρου. Η τοποθέτηση ενός διαστημικού σκάφους σε οποιοδήποτε από αυτά τα σημεία του επιτρέπει να παραμένει σε σταθερή θέση σε σχέση με τη Γη και τον Ήλιο με ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αλλάξει την κατεύθυνσή του.

Σκάβοντας βαθύτερα

Καθώς ο James Webb θα είναι ευαίσθητος στο μακρινό υπέρυθρο φως, θα είναι σε θέση να ανιχνεύει γαλαξίες σε εξαιρετικά υψηλή μετατόπιση προς το ερυθρό. Η ελπίδα είναι ότι ο James Webb θα ρίξει φως στον «κοσμικό επαναιονισμό», ένα σημαντικό γεγονός που άλλαξε θεμελιωδώς τη φύση του αερίου που επιπλέει σε όλο το διάστημα στο πρώιμο Σύμπαν. Περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η βολίδα είχε κρυώσει αρκετά ώστε τα ηλεκτρόνια να συνδυαστούν με τους πυρήνες του υδρογόνου και του ηλίου για να σχηματίσουν τα πρώτα άτομα του Σύμπαντος. Ωστόσο, υπάρχει ένα μυστήριο. Σήμερα, όταν οι αστρονόμοι παρατηρούν το αέριο υδρογόνο να επιπλέει στο διάστημα, ανακαλύπτουν ότι τα ηλεκτρόνια του έχουν εκτοξευθεί - έχει «επαναιονισθεί». Το μόνο πράγμα που θα μπορούσε να επαναιονίσει το Σύμπαν είναι το υπεριώδες φως υψηλής ενέργειας. Από πού λοιπόν προήλθε;

Οι παρατηρήσεις του Planck υποδεικνύουν ότι ο επαναιονισμός ξεκίνησε με μια μετατόπιση του ερυθρού περίπου 9. Μια πιθανότητα είναι ότι το υπεύθυνο υπεριώδες φως προήλθε από τα πρώτα αστέρια, τα οποία μπορεί να άρχισαν να σχηματίζονται μόλις 100 εκατομμύρια χρόνια μετά τη γέννηση του Σύμπαντος. Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι το υπεριώδες φως προήλθε από ύλη που θερμάνθηκε σε πυράκτωση καθώς στροβιλίστηκε κάτω σε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Αυτά σχηματίστηκαν στις καρδιές των νεογέννητων γαλαξιών, προκαλώντας τους να λάμπουν ως εξαιρετικά φωτεινά κβάζαρ. Ο Coe πιστεύει ότι είναι πιθανό πολλές πηγές να επαναιονοποίησαν το Σύμπαν. «Ίσως τα αστέρια να ευθύνονται για το μεγαλύτερο μέρος του επαναιονισμού και τα κβάζαρ για κάποιους», λέει. "Και είναι ακόμη κατανοητό ότι θα μπορούσε να υπάρχει μια άλλη πηγή - ίσως η εξόντωση σωματιδίων σκοτεινής ύλης, μυστηριώδους αόρατου υλικού που είναι γνωστό ότι υπερτερούν των αστέρων και των γαλαξιών κατά έξι φορές."

Αλλά η ελπίδα είναι ότι ο James Webb θα βοηθήσει να απαντηθούν πολλά περισσότερα. Όπως πότε σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια; Τέτοια αστέρια Πληθυσμού ΙΙΙ, όπως είναι γνωστά, θα περιείχαν μόνο υδρογόνο και ήλιο από τη Μεγάλη Έκρηξη, αλλά όχι βαρύτερα στοιχεία όπως οξυγόνο και ασβέστιο και σίδηρο, τα οποία μπορούν να δημιουργηθούν μόνο με πυρηνικές αντιδράσεις μέσα στα αστέρια. Κανείς δεν έχει εντοπίσει ακόμη αστέρια του Πληθυσμού ΙΙΙ, τα οποία αναμένεται να ήταν πολύ πιο μαζικά από τα σημερινά αστέρια και να διασχίσουν τη ζωή τους με ιλιγγιώδη ταχύτητα σε λίγα μόνο εκατομμύρια χρόνια πριν εκραγούν ως σουπερνόβα.

Το Hubble έχει ήδη εντοπίσει γαλαξίες που κάνουν τη μετάβαση από άμορφες σταγόνες σε διατεταγμένες δομές, που περιστρέφονται όπως η μεγάλη σπείρα του Γαλαξία μας, αλλά ο James Webb μπορεί να βρει τους πρώτους γαλαξίες που παρουσίασαν τέτοια διατεταγμένη περιστροφή. Στην πραγματικότητα, υπάρχει πιθανότητα ο Coe και η ομάδα του να μπορέσουν να το προσδιορίσουν αυτό με επακόλουθες παρατηρήσεις χρησιμοποιώντας τη Συστοιχία Μεγάλου Χιλιοστόμετρου Atacama στη Χιλή. Εάν μπορούν να ανιχνεύσουν την εκπομπή οξυγόνου σε οποιονδήποτε από τους αρχαίους γαλαξίες τους, οι διαφορές στη συχνότητα αυτής της εκπομπής στους γαλαξίες θα μπορούσαν να αποκαλύψουν εάν ορισμένα μέρη κινούνται προς εμάς και μερικά μακριά με συστηματικό τρόπο. Ένα τέτοιο φαινόμενο doppler είναι το όπλο καπνίσματος για την περιστροφή των γαλαξιών.

Ο James Webb μπορεί να λύσει άλλα ερωτήματα, όπως πότε σχηματίστηκαν οι πρώτοι γαλαξίες; Πώς έμοιαζαν; Είναι πραγματικά τα δομικά στοιχεία γαλαξιών όπως ο Γαλαξίας; «Έχουμε παρατηρήσει την εξέλιξη των γαλαξιών για 13,4 δισεκατομμύρια χρόνια κοσμικού χρόνου – αυτό είναι το 97 τοις εκατό της επιστροφής στην αρχή», λέει ο Coe. "Είμαι πολύ ενθουσιασμένος που βλέπω το 3 τοις εκατό που λείπει - το τελευταίο κομμάτι παζλ που απομένει."

• Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στο BBC Science Focus τον Μάρτιο του 2019 – εγγραφείτε εδώ

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard