Πότε συνέβη ο επαναϊονισμός του υδρογόνου στο σύμπαν;
Μια ομάδα αστρονόμων από το Ινστιτούτο Αστρονομίας Μαξ Πλανκ υπολόγισε ότι η λήξη της εποχής του επαναϊονισμού του ουδέτερου αερίου υδρογόνου συνέβη περίπου 1,1 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο επαναϊονισμός ξεκίνησε όταν σχηματίστηκε η πρώτη γενιά αστρων μετά την Σκοτεινή Εποχή, μια μακρά περίοδο κατά την οποία το ουδέτερο αέριο – κυρίως υδρογόνο – γέμιζε ένα σύμπαν όπου δεν υπήρχαν πηγές φωτός. Το νέο αυτό αποτέλεσμα δίνει απάντηση σε έναν προβληματισμό διάρκειας δύο δεκαετιών. Προέκυψε από την ανίχνευση του φωτός 67 κβάζαρ, το οποίο περιείχε τα ‘αποτυπώματα’ του αερίου υδρογόνου που συνάντησε στην πορεία του προς τη Γη. Ο εντοπισμός του τέλους αυτής της «κοσμικής αυγής» θα βοηθήσει στον εντοπισμό των πηγών ιονισμού: των πρώτων άστρων και γαλαξιών.
Στα πρώτα …. 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη το σύμπαν ήταν ένα θερμό και πυκνό ιονισμένο πλάσμα. Στη συνέχεια, ψύχθηκε αρκετά έτσι ώστε τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια που γέμιζαν το σύμπαν να ενωθούν προς ουδέτερα άτομα υδρογόνου. Έτσι ξεκίνησε μια «σκοτεινή» περίοδος για το σύμπαν, όπου δεν υπήρχαν πηγές ορατού φωτός. Με τον σχηματισμό των πρώτων άστρων και γαλαξιών περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια αργότερα, αυτό το αέριο άρχισε να ιονίζεται πάλι από την υπεριώδη ακτινοβολία των άστρων. Ιονισμός σημαίνει απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από τα άτομα, και όσον αφορά το υδρογόνο, τα ηλεκτρόνια διαχωρίζονται από τα πρωτόνια, κάνοντάς τα ελεύθερα σωματίδια. Η εποχή που συνέβη αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως «κοσμική αυγή». Σήμερα, όλο το υδρογόνο που βρίσκεται μεταξύ των γαλαξιών, το διαγαλαξιακό αέριο, είναι πλήρως ιονισμένο. Ωστόσο, το πότε ακριβώς συνέβη αυτό είναι ένα θέμα έντονης αντιπαράθεσης μεταξύ των επιστημόνων και ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον πεδίο έρευνας.
Το αργοπορημένο τέλος της κοσμικής αυγής
Σύμφωνα λοιπόν με τους αστρονόμους του Ινστιτούτου Αστρονομίας Μαξ Πλανκ το τέλος της εποχής του επαναϊονισμού του ουδέτερου αερίου υδρογόνου συνέβη περίπου 1,1 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, επικρατούσε η άποψη ότι ο επαναιονισμός ολοκληρώθηκε σχεδόν 200 εκατομμύρια χρόνια νωρίτερα. Στη νέα εργασία αποδεικνύεται ότι η διαδικασία τελείωσε πολύ αργότερα, κατά τη διάρκεια μιας κοσμικής εποχής που σήμερα μπορούμε να παρατηρήσουμε ευκολότερα με τα υπάρχοντα τηλεσκόπια. Αυτή η χρονική διόρθωση μπορεί να φαίνεται οριακή λαμβάνοντας υπόψη τα δισεκατομμύρια χρόνια που πέρασαν από την Μεγάλη Έκρηξη. Ωστόσο, μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια περισσότερα είναι αρκετά για να δημιουργηθούν αρκετές δεκάδες αστρικές γενιές στην πρώιμη κοσμική εξέλιξη. Το τάιμινγκ της «κοσμικής αυγής» περιορίζει τη φύση και την διάρκεια ζωής των πηγών ιονισμού που υπήρχαν κατά τη διάρκεια των εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών που διήρκεσε.
Προς το παρόν ο μόνος τρόπος για να χαρακτηριστούν τα αντικείμενα που οδήγησαν την διαδικασία του επαναϊονισμού είναι μια έμμεση προσέγγιση. Η άμεση παρατήρηση αυτών των πρώτων άστρων και γαλαξιών είναι πέρα από τις δυνατότητες των σύγχρονων τηλεσκοπίων. Ακόμη και τα τηλεσκόπια της επόμενης γενιάς, όπως το Εξαιρετικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο της ESO (ELT) ή το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μπορεί να δυσκολευτούν για μια τέτοια εργασία.
Οι αστρονόμοι εφαρμόζουν διάφορες μεθόδους για να διερευνήσουν πότε το σύμπαν ιονίστηκε πλήρως. Μία από αυτές βασίζεται στην μέτρηση του φάσματος εκπομπής του ουδέτερου αερίου υδρογόνου στη διάσημη φασματική γραμμή των 21 εκατοστών. Οι ερευνητές του Μαξ Πλάνκ ανέλυσαν το φως που ανίχνευαν από ισχυρές πηγές στο υπόβαθρο. Χρησιμοποίησαν 67 κβάζαρ, τους φωτεινούς δίσκους θερμού αερίου που περιβάλλουν τεράστιες μαύρες τρύπες στα κέντρα μακρινών ενεργών γαλαξιών. Παρατηρώντας τα φάσματα των κβάζαρ, τα οποία απεικονίζουν την έντασή του φωτός σε όλα τα παρατηρούμενα μήκη κύματος, οι αστρονόμοι ανακαλύπτουν σκοτεινές γραμμές όπου το φως φαίνεται να λείπει, τις επονομαζόμενες γραμμές απορρόφησης. Το ουδέτερο αέριο υδρογόνο απορροφά συγκεκριμένα μήκη κύματος κατά τη διάρκεια της διαδρομής του φωτός από την πηγή στο τηλεσκόπιο. Τα φάσματα αυτών των 67 κβάζαρ είχαν μια άνευ προηγουμένου ποιότητα, κάτι που ήταν κρίσιμο για την επιτυχία αυτής της μελέτης.
Η μέθοδος περιλαμβάνει την αναζήτηση μιας φασματικής γραμμής που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 121,6 νανόμετρων (ένα νανόμετρο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου). Αυτό το μήκος κύματος ανήκει στην περιοχή υπεριώδους φωτός και είναι η ισχυρότερη φασματική γραμμή του υδρογόνου. Ωστόσο, η κοσμική διαστολή μετατοπίζει την εν λόγω γραμμή στο φάσμα των κβάζαρ προς μεγαλύτερα μήκη κύματος ανάλογα με την απόσταση που διάνυσε το φως. Επομένως, η μετατόπιση προς το ερυθρό της παρατηρούμενης γραμμής απορρόφησης στο υπεριώδες μπορεί να μεταφραστεί σε απόσταση από τη Γη. Σε αυτή τη μελέτη, το φαινόμενο είχε μετατοπίσει την γραμμή από την περιοχή της υπεριώδους ακτινοβολίας που βρίσκονταν όταν εκπέμφθηκε, στην υπέρυθρη περιοχή όταν έφτασε στο τηλεσκόπιο.
Ανάλογα με το κλάσμα μεταξύ ουδέτερου και ιονισμένου αερίου υδρογόνου, ο βαθμός απορρόφησης, ή αντιστρόφως, η διάδοση μέσα από ένα τέτοιο νέφος, παίρνει μια συγκεκριμένη τιμή. Όταν το φως συναντά μια περιοχή με υψηλό κλάσμα ιονισμένου αερίου, τότε η υπεριώδης ακτινοβολία δεν απορροφάται τόσο αποτελεσματικά. Αυτή την ιδιότητα διερεύνησαν οι φυσικοί του Μαξ Πλανκ.
Το φως των κβάζαρ κατά την πορεία του διέρχεται μέσα από νέφη υδρογόνου που βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις. Καθένα από αυτά αφήνει το αποτύπωμά του με μικρότερες μετατοπίσεις προς το ερυθρό από την υπέρυθρη περιοχή. Η θερητική επεξεργασία των δεδομένων με τις μετατοπισμένες γραμμές δίνει τον χρόνο ή την απόσταση που το αέριο υδρογόνο ιονίστηκε πλήρως.
Η μέθοδος που εφαρμόστηκε έδειξε μετατόπιση της γραμμής των 121,6 νανομέτρων κατά έναν παράγοντα 5,3, που αντιστοιχεί σε μια κοσμική ηλικία 1,1 δισεκατομμυρίων ετών. Αυτή ήταν η τελευταία περίοδος κατά την οποία το ουδέτερο αέριο υδρογόνο πρέπει να ήταν παρόν στον διαγαλαξιακό χώρο και στη συνέχεια να ιονίστηκε. Ήταν το τέλος της «κοσμικής αυγής».
Αυτό το νέο σύνολο δεδομένων παρέχει ένα κρίσιμο σημείο αναφοράς βάσει του οποίου οι αριθμητικές προσομοιώσεις των πρώτων δισεκατομμυρίων ετών του σύμπαντος θα τεστάρονται στα επόμενα χρόνια. Αυτό θα βοηθήσει στον χαρακτηρισμό των πηγών ιονισμού, των πρώτων γενεών άστρων, προμηνύοντας ένα λαμπρό μέλλον.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: https://www.mpia.de/news/science/2022-10-cosmicdawn
Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ, ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ
physicsgg 
Σχολιάστε