Tι «άναψε» το πρώτο φως στις αρχές του Σύμπαντος – H Κοσμική Αυγή και ο ρόλος των νάνων γαλαξιών

Τα πρώτα φώτα του σύμπαντος δεν ήταν αποτέλεσμα μεγάλων πηγών

παραγωγής και εκτοπισμού ενέργειας, όπως θα περίμενε κανείς. Αυτό το σενάριο ανετράπη πρόσφατα, καθώς σύμφωνα με πληροφορίες που έχουν συλλέξει τα διαστημικά τηλεσκόπια Hubble και James Webb, η προέλευση των φωτονίων που πετούν ελεύθερα στην πρώιμη κοσμική αυγή ήταν μικροί γαλαξίες νάνοι που ενώ αναπτύσσονταν, «καθάριζαν» την ομίχλη υδρογόνου που γέμιζε το διαγαλαξιακό διάστημα.

Τα νέα δεδομένα, υποστηρίζονται από μια νέα έρευνα που δημοσιεύθηκε τον Φεβρουάριο.

 Κοσμική Αυγή: Ο καθοριστικός ρόλος των πρώτων γαλαξιών

«Αυτή η ανακάλυψη αποκαλύπτει τον κρίσιμο ρόλο που διαδραμάτισαν οι εξαιρετικά αμυδροί γαλαξίες στην εξέλιξη του πρώιμου Σύμπαντος», δήλωσε η αστροφυσικός Iryna Chemerynska από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Παρισιού.

«Παράγουν ιοντιζόμενα φωτόνια που μετατρέπουν το ουδέτερο υδρογόνο σε ιονισμένο πλάσμα κατά τη διάρκεια του κοσμικού επαναιονισμού. Τονίζεται η σημασία της κατανόησης των γαλαξιών χαμηλής μάζας στη διαμόρφωση της ιστορίας του Σύμπαντος».

Τα στάδια που εξασφάλισαν τη διάδοση του φωτός

• Λίγα λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν γέμισε με καυτή, πυκνή ομίχλη ιονισμένου πλάσματος.
• 300.000 χρόνια αργότερα, σχηματίστηκε ουδέτερο αέριο υδρογόνου και λίγο ήλιο, επιτρέποντας στο φως να διεισδύσει.
• Τα πρώτα αστέρια σχηματίστηκαν και οδήγησαν σε επανιονισμό του αερίου με την ακτινοβολία τους.
• 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν επανιονίστηκε πλήρως.
• Η «Κοσμική Αυγή» ήταν σκοτεινή και μακρινή, δυσκολεύοντας την παρατήρηση.
• Οι επιστήμονες πίστευαν ότι τεράστιες μαύρες τρύπες και μεγάλοι γαλαξίες ήταν οι κύριες πηγές του επανιονισμού.

Τι είναι ο επανιονισμός

Στην κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης, ο επανιονισμός είναι η διαδικασία κατά την οποία ιονίστηκε εκ νέου η ύλη στο σύμπαν έπειτα από τις “σκοτεινές εποχές”. Είναι η δεύτερη από τις δύο μεγάλες μεταβατικές φάσεις αερίου στο σύμπαν. Ενώ η πλειονότητα της βαρυονικής ύλης στο σύμπαν έχει τη μορφή υδρογόνου και ηλίου, ο επανιονισμός συνήθως αναφέρεται αυστηρά στον επανιονισμό του υδρογόνου.

Πιστεύεται ότι το αρχέγονο ήλιο γνώρισε επίσης την ίδια φάση αλλαγών επανιονισμού, αλλά σε διαφορετικά σημεία της ιστορίας του σύμπαντος. Αυτό συνήθως αναφέρεται ως επανιονισμός ηλίου.

Κοσμική Αυγή – Big Bang: «Και εγένετο Φως»

Κατά τα πρώτα στάδια της δημιουργίας του Σύμπαντος, λίγα μόλις λεπτά από τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), ο χώρος γέμισε με μια καυτή, πυκνή ομίχλη ιονισμένου πλάσματος. Το λίγο φως που υπήρχε δεν θα μπορούσε να διαπεράσει αυτήν την ομίχλη. Τα φωτόνια απλώς θα είχαν διασκορπιστεί από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που αιωρούνταν, καθιστώντας ουσιαστικά το σύμπαν σκοτεινό.

Καθώς το σύμπαν άρχισε σταδιακά να παγώνει, έπειτα από περίπου 300.000 χρόνια, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια άρχισαν να ενώνονται για να σχηματίσουν ουδέτερο αέριο υδρογόνου (και λίγο ήλιο). Τα περισσότερα μήκη κύματος φωτός μπορούσαν να διεισδύσουν σε αυτό το ουδέτερο μέσο, ​​αλλά υπήρχαν πολύ λίγες πηγές που θα το παρήγαγαν. Αλλά από αυτό το υδρογόνο και το ήλιο, γεννήθηκαν τα πρώτα αστέρια.

Αυτά τα πρώτα αστέρια παρείχαν ακτινοβολία που ήταν αρκετά ισχυρή για να αποκολλήσει τα ηλεκτρόνια μακριά από τους πυρήνες τους και να επανιονίσει το αέριο. Σε αυτό το σημείο, ωστόσο, το σύμπαν είχε επεκταθεί τόσο πολύ που το αέριο ήταν διάχυτο και δεν μπορούσε να εμποδίσει το φως να λάμψει. Περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το τέλος της περιόδου που είναι γνωστή ως «Κοσμική Αυγή», το Σύμπαν επανιονίστηκε πλήρως, όπως αναφέρει χαρακτηριστικά το science alert.

Επειδή υπήρχε πολύ σκοτάδι στην κοσμική αυγή και επειδή ήταν αμυδρή και μακριά στον χρόνο και τον χώρο, οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι πηγές που ευθύνονταν για το μεγαλύτερο μέρος του επανιονισμού ήταν ισχυρές, όπως τεράστιες μαύρες τρύπες και μεγάλοι γαλαξίες με έντονη αστρογένεση.

Το JWST (James Webb Space Telescope) σχεδιάστηκε εν μέρει για να παρατηρεί την κοσμική αυγή και να δει τι κρύβεται μέσα της. Ήταν πολύ επιτυχημένο, αποκαλύπτοντας πολλές εκπλήξεις για αυτή την κρίσιμη στιγμή του σχηματισμού του σύμπαντος. Παραδόξως, οι παρατηρήσεις του τηλεσκοπίου δείχνουν τώρα ότι οι νάνοι γαλαξίες είναι ο βασικός παράγοντας στον επανιονισμό.

Μια εικόνα βαθέος πεδίου JWST με μερικές από τις πηγές που οι ερευνητές προσδιόρισαν ως οδηγούς επαναιονισμού. (Hakim Atek/Πανεπιστήμιο της Σορβόννης/JWST)

Τα τελευταία δεδομένα και οι επόμενες έρευνες

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τον αστροφυσικό Hakim Atek του Ινστιτούτου Αστροφυσικής του Παρισιού στράφηκε στα δεδομένα του JWST σε ένα σμήνος γαλαξιών που ονομάζεται Abell 2744. «Παρά το μικροσκοπικό τους μέγεθος, αυτοί οι γαλαξίες χαμηλής μάζας είναι παραγωγοί ενεργειακής ακτινοβολίας και η αφθονία τους κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ήταν τόσο σημαντική που η συλλογική τους επιρροή μπόρεσε να μεταμορφώσει ολόκληρη την κατάσταση του Σύμπαντος».

Την ίδια ώρα, οι επιστήμονες κυνηγούν απαντήσεις σχετικά με τον επανιονισμό. «Έχουμε εισέλθει πλέον σε αχαρτογράφητη περιοχή με το JWST», δήλωσε ο αστροφυσικός Themiya Nanayakkara του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Swinburne στην Αυστραλία.

«Αυτό το έργο ανοίγει πιο συναρπαστικά ερωτήματα στα οποία πρέπει να απαντήσουμε στις προσπάθειές μας να χαράξουμε την εξελικτική ιστορία των απαρχών μας». Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature.