Μεταβολές στη «θολούρα» του σύμπαντος προσδιορίζουν ένα ορόσημο στην κοσμική ιστορία

Μεγάλες διαφορές στη «θολούρα» του πρώιμου σύμπαντος προκλήθηκαν από νησίδες ψυχρού αερίου που απέμειναν όταν το σύμπαν θερμάνθηκε μετά από τη μεγάλη έκρηξη, σύμφωνα με μια διεθνή ομάδα αστρονόμων. Τα αποτελέσματα της έρευνας, που αναφέρονται στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, επέτρεψαν τους αστρονόμους να εστιάσουν στην εποχή όταν τελείωσε ο επαναϊονισμός και το σύμπαν αναδύθηκε από μια κρύα και σκοτεινή κατάσταση για να γίνει αυτό που είναι σήμερα: γεμάτο από θερμό και ιονισμένο αέριο υδρογόνο που διαχέεται στο διάστημα μεταξύ λαμπερών γαλαξιών.

Το αέριο υδρογόνο αδυνατίζει το φως από απομακρυσμένους γαλαξίες, όπως τα φώτα του δρόμου φαίνονται αδύναμα από την ομίχλη ένα χειμωνιάτικο πρωινό. Παρατηρώντας αυτό το χαμήλωμα στο φάσμα ενός ιδιαίτερου τύπου λαμπερών γαλαξιών, που αποκαλούνται κβάζαρ, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να μελετήσουν τις συνθήκες στο πρώιμο σύμπαν. Στα τελευταία λίγα χρόνια, οι παρατηρήσεις αυτού του ιδιαίτερου μοτίβου αδυνατίσματος (που αποκαλείται Lyman-alpha Forest) δείχνουν ότι η θολούρα του σύμπαντος μεταβάλλεται σημαντικά από το ένα μέρος του σύμπαντος στο άλλο, όμως η αιτία πίσω από αυτές τις μεταβολές ήταν άγνωστη.

«Αναμέναμε το φως από τα κβάζαρ να ποικίλει από μέρος σε μέρος το πολύ κατά έναν παράγοντα δυο αυτή την περίοδο, όμως φαίνεται να ποικίλει κατά έναν παράγοντα περίπου 500», είπε ο επικεφαλής συγγραφέας Girish Kulkarni, ο οποίος ολοκλήρωσε την έρευνα ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. «Διατυπώθηκαν ορισμένες υποθέσεις για το λόγο που αυτό είναι έτσι, αλλά καμιά ικανοποιητική». Η νέα μελέτη συμπεραίνει ότι αυτές οι μεταβολές προκύπτουν από μεγάλες περιοχές πλήρεις παρουσίας ψυχρού αερίου υδρογόνου στο σύμπαν όταν ήταν ηλικίας μόλις ενός δισεκατομμυρίου ετών, ένα αποτέλεσμα το οποίο επιτρέπει τους ερευνητές να εντοπίσουν πότε τελείωσε ο επαναϊονισμός.

Κατά τη διάρκεια του επαναϊονισμού, όταν το σύμπαν έβγαινε από τις κοσμικά «σκοτεινές ηλικίες» του, το διάστημα μεταξύ των γαλαξιών γέμισε με ένα πλάσμα ιονισμένου υδρογόνου με θερμοκρασία περίπου 10 000 βαθμών Κελσίου. Αυτό προβληματίζει επειδή 50 εκατομμύρια χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη, το σύμπαν ήταν κρύο και σκοτεινό. Περιείχε αέριο με θερμοκρασίες λίγους μόνο βαθμούς επάνω από το απόλυτο μηδέν και όχι λαμπερά άστρα και γαλαξίες. Πώς στη συνέχεια έγινε έτσι ώστε σήμερα, περίπου 13,6 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, το σύμπαν να είναι λουσμένο στο φως από τα άστρα σε μια ποικιλία γαλαξιών και το αέριο να είναι χίλιες φορές θερμότερο;

Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα ήταν ένας σημαντικός στόχος της κοσμολογικής έρευνας κατά τη διάρκεια των δυο τελευταίων δεκαετιών. Τα συμπεράσματα της νέας μελέτης υποστηρίζουν ότι ο επαναϊονισμός συνέβη 1,1 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη (ή πριν από 12,7 δισεκατομμύρια χρόνια), αρκετά αργότερα από ότι προηγουμένως πιστεύονταν. Η ομάδα των ερευνητών από την Ινδία, το Η.Β., τον Καναδά, τη Γερμανία και την Γαλλία κατέληξε στα συμπεράσματά της με τη βοήθεια των τελευταίας λέξης της τεχνολογίας υπολογιστικών προσομοιώσεων που έγιναν σε υπερυπολογιστές στα Πανεπιστήμια των Cambridge, Durham και Παρισιού, με χρηματοδότηση από STFC (Science and Technology Facilities Council) του Η.Β. και PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe).

«Όταν το σύμπαν ήταν ηλικίας 1,1 δισεκατομμυρίου ετών υπήρχαν ακόμη μεγάλοι θύλακες στον σύμπαν όπου το αέριο μεταξύ των γαλαξιών ήταν ακόμη ψυχρό και είναι αυτές οι ουδέτερες νησίδες του ψυχρού αερίου που εξηγούν τις αινιγματικές παρατηρήσεις», ανέφερε ο Martin Haehnelt του Πανεπιστημίου του Cambridge, που ηγείτο της ομάδας αυτής της έρευνας, που υποστηρίχθηκε από τη χρηματοδότηση από το ERC (Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας). «Αυτό τελικά, μας επέτρεψε να εντοπίσουμε το τέλος του επαναϊονισμού πολύ ακριβέστερα από ότι πριν», είπε η Laura Keating, του Καναδικού Ινστιτούτου Θεωρητικής Αστροφυσικής.

Η νέα μελέτη υποστηρίζει ότι το σύμπαν επαναϊονίστηκε με φως από νεαρά άστρα στους πρώτους γαλαξίες που σχηματίστηκαν. «Ο επαναϊονισμός που συνέβη αργότερα είναι επίσης καλά νέα για μελλοντικά πειράματα που έχουν σκοπό να ανιχνεύσουν το ουδέτερο υδρογόνο από το πρώιμο σύμπαν», σημειώνει ο Kulkarni. «Όσο αργότερος ο επαναϊονισμός, τόσο ευκολότερα θα είναι αυτά τα πειράματα να πετύχουν».

Πηγή: University of Cambridge

Περισσότερα στη δημοσίευση: Large Ly α opacity fluctuations and low CMB τ in models of late reionization with large islands of neutral hydrogen extending to z<5.5. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.