… εξαιτίας των παρατηρήσεων του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb

Αναμένεται ένα κύμα επιστημονικών δημοσιεύσεων που θα καταρρίπτουν διαδοχικά το ρεκόρ του ‘αρχαιότερου γαλαξία‘, χρησιμοποιώντας τα νέα στοιχεία που συλλέγει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Ήδη σε πρόσφατες δημοσιεύσεις οι αστρονόμοι αναφέρουν την ανίχνευση γαλαξιών που εμφανίζουν μετατόπιση προς το ερυθρό έως και z=20. Aν αυτό επαληθευθεί, τότε σημαίνει πως βλέπουμε αυτούς τους γαλαξίες όπως ήταν περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη!

Για παράδειγμα, oι αστρονόμοι Finkelstein et al αναφέρουν τον γαλαξία της Maisie με μετατόπιση προς το ερυθρό z=14,3, ενώ οι Donnan et al με z=16,7. Και οι αστρονόμοι με επικεφαλής τον Haojing Yan χρησιμοποιώντας το φαινόμενο του βαρυτικού φακού που δημιουργείται από το σμήνος γαλαξιών SMACS J0723, ανίχνευσαν 88 υποψήφιους γαλαξίες με μετατόπιση προς το ερυθρό μεγαλύτερη του 11, μερικοί από τους οποίους θα μπορούσαν να αντιστοιχούν σε z=20.
Όμως στο σημείο αυτό μπορεί να τεθεί το εύλογο ερώτημα:

Πως ορίζεται το μέγεθος z που μετράει την μετατόπιση προς το ερυθρό;

Ένα από τα αναμφισβήτητα χαρακτηριστικά του σύμπαντός μας είναι ότι καθώς το παρατηρούμε, βλέπουμε το σύνολο σχεδόν γαλαξιών να απομακρύνονται από εμάς και, επιπλέον όσο πιο μακριά βρίσκεται κάποιος γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς. Οι ταχύτητες απομάκρυνσης των γαλαξιών μετρώνται διαμέσου της ερυθρής μετατόπισης, μια εφαρμογή του φαινομένου Doppler. Όταν ένας γαλαξίας απομακρύνεται από εμάς τότε οι χαρακτηριστικές γραμμές του φάσματος που εκπέμπει μετατοπίζονται προς το ερυθρό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Για αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως μετατόπιση προς το ερυθρό (redsihft). H τεχνική αυτή χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον αστρονόμο Vesto Slipher το 1912 και εφαρμόστηκε συστηματικά από τον Edwin Hubble, τις επόμενες δεκαετίες. Έτσι, προέκυψε ο νόμος του Hubble για την διαστολή του σύμπαντος.

Το μέγεθος που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να μετρήσουν την μετατόπιση προς το ερυθρό συμβολίζεται με z και ορίζεται ως , όπου λ₀ είναι τo μήκoς κύματος στο σημείο εκπομπής και λ το μήκος κύματος που μετράμε εμείς. Το z μας δείχνει πόσο έχει «τεντωθεί» το φως που προέρχεται από έναν γαλαξία καθώς διαστέλλεται το σύμπαν. Όσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση προς το ερυθρό, τόσο πιο μακριά στο χρόνο βλέπουμε έναν γαλαξία.

H μετατόπιση προς το ερυθρό δικαιολογεί την διαστολή του σύμπαντος και συσχετίζεται με τον παράγοντα κλίμακας (scale factor) R(t) και την σταθερά του Hubble που ορίζεται ως: .
Oι εξισώσεις Einstein προβλέπουν την εξέλιξη του παράγοντα R(t), o οποίος περιγράφει την χρονική εξάρτηση κάθε τυπικού μήκους, όπως για παράδειγμα την απόσταση μεταξύ δυο γαλαξιών.

Ας δοκιμάσουμε μερικούς απλούς υπολογισμούς, εξετάζοντας δυο κοντινούς γαλαξίες Γ και Α που απέχουν μεταξύ τους μικρή απόσταση dr, όπου ένας παρατηρητής στον Γ βλέπει τον γαλαξία Α να απομακρύνεται με ταχύτητα dυ.

Σύμφωνα με τον νόμο του Hubble θα ισχύει . Δεδομένου ότι θεωρούμε δυο γαλαξίες σε μικρή απόσταση μεταξύ τους μπορούμε να πούμε ότι η μεταβολή του μήκους κύματος που μετράει ο παρατηρητής στον Γ προκύπτει από τον νόμο Doppler (*). Xρησιμοποιώντας την εξ. (1) και το γεγονός ότι παίρνουμε: , απ’ όπου προκύτει: , όπου λ είναι το μήκος κύματος που μετράμε σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή.

Αν και η μέθοδος που ακολουθήσαμε για την εξαγωγή του παραπάνω αποτελέσματος ισχύει μόνο για γαλαξίες που είναι πολύ κοντά μεταξύ τους, αποδεικνύται ότι είναι εντελώς γενικό, ισχύει και για τις τεράστιες κοσμολογικές αποστάσεις. Η σχέση μας λέει ότι καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, τα μήκη κύματος γίνονται αναλογικά μεγαλύτερα. Κάποιος θα μπορούσε να σκεφτεί ότι το μήκος κύματος τεντώνεται εξαιτίας της διαστολής του σύμπαντος, επομένως η μεταβολή του μήκους κύματος μας λέει πόσο έχει διασταλλεί το σύμπαν από τότε που το φως άρχισε το ταξίδι του. Αν το μήκος κύματος διπλασιαστεί, τότε την στιγμή που εκπέμφθηκε το σύμπαν είχε το μισό του σημερινού του μεγέθους.
Μπορούμε λοιπόν να γράψουμε την μετατόπιση προς το ερυθρό και ως: . Παρατηρούμε ότι όσο πιο κοντά στην Μεγάλη Έκρηξη εκπέμφθηκε το φως που ανιχνεύουμε, τόσο μεγαλύτερο θα είναι το z ( για ).

Είναι πολύ συνηθισμένο οι αστρονόμοι να χρησιμοποιούν το μέγεθος της μετατόπισης προς το ερυθρό z για να περιγράψουν τις χρονικές περιόδους του σύμπαντος και τις αποστάσεις των αντικειμένων.
Όταν λοιπόν αναφέρονται στο σύμπαν με μετατόπιση στο ερυθρό z, εννοούν την χρονική περίοδο που το σύμπαν είχε το 1/(1+z) του σημερινού μεγέθους του.
Αν ένα αντικείμενο εμφανίζει μετατόπιση στο ερυθρό z, αυτό σημαίνει ότι είναι σε απόσταση που στο χρόνο που χρειάστηκε το φως του να φτάσει σε μας έχει μετατοπιστεί προς το ερυθρό κατά έναν συντελεστή 1+z.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω αυτές τις μέρες εμφανίστηκαν δημοσιεύσεις που επιβεβαιώνουν την ανίχνευση γαλαξιών των οποίων η μετατόπιση προς το ερυθρό φτάνει μέχρι και z=16,3 και ίσως φτάσουν στο z=20, χάρη στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb.
Ποια είναι άραγε η μεγαλύτερη κοσμολογική μετατόπιση προς το ερυθρό που ανιχνεύθηκε μέχρι σήμερα; Είναι εκείνη της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, το αρχαιότερο απομεινάρι από την δημιουργία του σύμπαντος, η οποία είναι περίπου z=1100. Και αντιστοιχεί στην κοσμική εποχή που στο σύμπαν δεν υπήρχε κανένα άστρο ή γαλαξίας και η ύλη βρίσκονταν σε θερμοδυναμική ισορροπία με την ακτινοβολία.

(*) Αν ένας γαλαξίας απομακρύνεται με μικρή ταχύτητα υ<<c, όπου c η ταχύτητα του φωτός, τότε η μετατόπιση προς το ερυθρό είναι z=υ/c, διαφορετικά ισχύει: .

πηγές:
1. Scottish astronomers push James Webb deeper back in time
2. James Webb Space Telescope beats its own record with potential most distant galaxies
3. Andrew Liddle, «Eισαγωγή στη σύγγχρονη κοσμολογία», εκδόσεις Ροπή

Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ, ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ

Ετικέτες: Hubble, Η ΑΣΚΗΣΗ ΤΗΣ ΕΒΔΟΜΑΔΑΣ, JAMES WEBB, PHYSICS