Αστρονόμοι ανακάλυψαν ένα γαλαξιακό σμήνος το οποίο είχε ήδη αρχίσει να συγκροτείται μόλις 770 εκατ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το αρχέγονο αυτό «πρωτοσμήνος» αποτελείται από δύο μικρότερες ομάδες γαλαξιών, οι οποίες θα συγχωνευθούν σε μία, ενώ εκτιμάται ότι το σμήνος αυτό θα εξελιχθεί σε έναν Λεβιάθαν με την μάζα 4 τετράκις εκατομμυρίων άστρων σαν τον Ήλιο. Η ανακάλυψη αυτή δημοσιεύθηκε στις 25 Ιανουαρίου 2021 στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy. Σύμφωνα με τους συγγραφείς της σχετικής μελέτης, η ανακάλυψη αυτή παρέχει ένα μοναδικό φυσικό εργαστήριο για την διερεύνηση της Εποχής του Επαναϊονισμού, στην διάρκεια της οποίας η υπεριώδης ακτινοβολία των πρώτων άστρων και γαλαξιών ιόνισε το ουδέτερο υδρογόνο που υπήρχε διάχυτο στο Σύμπαν, καθιστώντας το και πάλι διαφανές.

Τα περισσότερα γαλαξιακά σμήνη περιέχουν χιλιάδες γαλαξίες. Το πρωτοσμήνος της συγκεκριμένης μελέτης, ωστόσο, απαρτίζεται από 21 μόλις γαλαξίες, στην ίδια περίπου απόσταση από την Γη, αλλά πολύ πλησιέστερα ο ένας στον άλλον απ’ όσο είναι σύνηθες για τους περισσότερους γαλαξίες που βρίσκονται σε παρόμοιες αποστάσεις. Οι γαλαξίες αυτοί εκπέμπουν κυρίως ορατή και υπεριώδη ακτινοβολία. Καθώς, όμως, το Σύμπαν διαστέλλεται και οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς με ταχύτητες ανάλογες της απόστασής τους, το φως τους «ξεχειλώνει» προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Με άλλα λόγια, οι μακρινοί αυτοί γαλαξίες, εξαιτίας της κοσμικής διαστολής «φαίνονται» υπέρυθροι.

Οι πρωταρχικές δομές στο Σύμπαν, δηλαδή τα πρώτα άστρα και οι πρώτοι μικροί γαλαξίες, άρχισαν να σχηματίζονται προς το τέλος μίας εποχής στην κοσμολογική εξέλιξη, η οποία είναι γνωστή ως Σκοτεινή Εποχή ή Κοσμικός Μεσαίωνας. Η εποχή αυτή διαρκεί κατά προσέγγιση από την χρονική στιγμή που απελευθερώθηκε η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, δηλαδή σχεδόν 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, και για τα επόμενα 550 εκατ. χρόνια  περίπου.  Προτού, ωστόσο, αναφερθούμε εκτενέστερα σ’ αυτήν, αλλά και στην Εποχή του Επαναϊονισμού που την ακολούθησε, ας θυμηθούμε με συντομία τι ακριβώς είναι η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Εξαιτίας των τεράστιων θερμοκρασιών που επικρατούσαν αμέσως μετά την απαρχή της κοσμολογικής διαστολής, η ύλη που εμπεριείχε το βρεφικό Σύμπαν (κυρίως πυρήνες υδρογόνου και ηλίου που είχαν συντηχθεί στην διάρκεια της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης, λίγα μόνο λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη, καθώς και ηλεκτρόνια) ήταν πλήρως ιονισμένη. Εξαιτίας, μάλιστα, της μεγάλης της πυκνότητας, τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σκεδάζονταν συνεχώς από τα ηλεκτρόνια και δεν μπορούσαν να διαφύγουν ελεύθερα στο Διάστημα, που σημαίνει ότι το Σύμπαν ήταν αδιαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Όταν, όμως, η ηλικία του Σύμπαντος έφτασε τα 380.000 χρόνια και η θερμοκρασία του μειώθηκε στους σχεδόν 3.000 ºC, τα πρωτόνια ενώθηκαν με τα ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας ουδέτερο υδρογόνο, γεγονός που επέτρεψε την «αποδέσμευση» του φωτός από την ύλη. Από την στιγμή αυτή και μετά, το Σύμπαν καθίσταται διαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία μπορεί πλέον να διασχίζει το Διάστημα ανεμπόδιστα. Αυτή ακριβώς η ακτινοβολία, που απελευθερώθηκε μόλις 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, «ξεχείλωνε» διαρκώς με την διαστολή του Σύμπαντος και ανιχνεύεται σήμερα στα μικροκύματα, με την μορφή της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, αποτελώντας το πλέον αρχέγονο φως που μπορούν να συλλέξουν τα τηλεσκόπιά μας.

Στην συνέχεια, όμως, το Σύμπαν εισέρχεται, όπως είπαμε, στην Σκοτεινή Εποχή του, που οφείλει το όνομά της στο γεγονός ότι στα πρώτα 100-200 εκατ. χρόνια περίπου αυτής της περιόδου δεν είχαν ακόμη σχηματιστεί διακριτές φωτεινές πηγές, όπως είναι τα άστρα. Σταδιακά, ωστόσο, και με την επίδραση της βαρύτητας της σκοτεινής ύλης, το αέριο υδρογόνο συγκροτείται σε όλο και πυκνότερες συσσωματώσεις, απ’ τις οποίες θα σχηματιστεί σταδιακά η πρωταρχική γενιά των άστρων, και αργότερα οι πρώτοι μικροί γαλαξίες.

Τα πρώτα άστρα του Σύμπαντος αποτελούνταν αποκλειστικά από υδρογόνο και ήλιο και ήταν πραγματικοί γίγαντες, με μάζα ακόμη και εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου. Καταναλώνοντας με ραγδαίο ρυθμό τα πυρηνικά τους «καύσιμα», τα άστρα αυτά ολοκλήρωναν ταχύτατα την ζωή τους με εκρήξεις σουπερνόβα. Η εμφάνιση των άστρων αυτών σηματοδοτεί την αρχή του τέλους για την Σκοτεινή Εποχή. Επειδή, όμως, η υπεριώδης ακτινοβολία των πρωταρχικών άστρων του Σύμπαντος απορροφάται αρχικά από το αέριο υδρογόνο που τα περιβάλλει, τα ενεργητικά της φωτόνια δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα στο Διάστημα ή, για να το πούμε διαφορετικά, η λάμψη τους χάνεται μέσα στην πυκνή «ομίχλη» του ουδέτερου υδρογόνου.

Καθώς, όμως, όλο και περισσότερα άστρα γεννιούνται μέσα στα αρχέγονα νέφη υδρογόνου, η κατάσταση αυτή δεν θα διαρκέσει για πολύ και το Σύμπαν θα αρχίσει να «αναδύεται» από τα σκοτεινά χρόνια του Κοσμικού του Μεσαίωνα, γιατί η υπεριώδης ακτινοβολία που διαχέουν στο Διάστημα ιονίζει το υδρογόνο στην περιοχή που τα περιβάλλει, διασπώντας το εκ νέου σε ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Έτσι, λοιπόν, οι πρώτες φωτεινές πηγές του Σύμπαντος σχηματίζουν γύρω τους «φυσαλίδες» ιονισμένου πλάσματος, οι οποίες διευρύνονται διαρκώς, αλλά και πολλαπλασιάζονται με κάθε νέο άστρο που γεννιέται. Καθώς, λοιπόν, οι φυσαλίδες πλάσματος γύρω από τα πρώτα άστρα επεκτείνονται όλο και περισσότερο, και καθώς όλο και περισσότερο ουδέτερο υδρογόνο εκτίθεται στην ενεργητική τους ακτινοβολία, οι ιονισμένες περιοχές του Σύμπαντος διευρύνονται, αλλά και πολλαπλασιάζονται συνεχώς.

Λίγο αργότερα, μάλιστα, με τον σχηματισμό των πρώτων μικρών γαλαξιών και των πρώτων κβάζαρ, η διαδικασία αυτή επιταχύνεται όλο και πιο πολύ, ώσπου τελικά, περίπου 900 εκατ. χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το σύνολο σχεδόν της μεσογαλαξιακής ύλης έχει «επαναϊονιστεί». Η εποχή αυτή, στο τέλος της οποίας το σύνολο σχεδόν του ουδέτερου υδρογόνου που εμπεριέχει το Σύμπαν έχει ιονιστεί από την ακτινοβολία των πρώτων άστρων, των πρώτων μικρών γαλαξιών και των πρώτων κβάζαρ, είναι γνωστή ως η Εποχή του Επαναϊονισμού. Καθώς η εποχή αυτή ολοκληρώνεται, το Σύμπαν γίνεται εκ νέου διαφανές στην ακτινοβολία.

Σε αντίθεση, όμως, με την εποχή που προηγήθηκε της απελευθέρωσης της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η σκέδαση των φωτονίων από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μεσογαλαξιακού πλάσματος δεν επαρκεί πλέον για να «οδηγήσει» το Σύμπαν πίσω στην πρότερη αδιαφανή του κατάσταση, που επικρατούσε και τότε. Ο βασικός λόγος γι’ αυτό είναι ότι η συνεχιζόμενη διαστολή του Σύμπαντος έχει πλέον μειώσει τόσο πολύ την πυκνότητα της ύλης, που οι όποιες αντιδράσεις σκέδασης μεταξύ φωτονίων και ηλεκτρονίων είναι πολύ πιο σπάνιες απ’ όσο προηγουμένως. Έτσι, λοιπόν, το Σύμπαν μετατρέπεται πλέον σε έναν αραιό «ωκεανό» ιονισμένου υδρογόνου, που παραμένει διαφανής στην ακτινοβολία μέχρι και σήμερα, γεγονός που μας επιτρέπει να εντοπίζουμε με τα τηλεσκόπιά μας τα αναρίθμητα «νησιά» του, δηλαδή τους γαλαξίες και τα γαλαξιακά σμήνη.

Η αλήθεια, όμως, είναι ότι δεν γνωρίζουμε ακόμη με ακρίβεια πότε ακριβώς σχηματίστηκαν τα πρώτα άστρα, πότε οι πρώτοι γαλαξίες, πότε ακριβώς ξεκίνησε η Εποχή του Επαναϊονισμού και πότε ολοκληρώθηκε. Πραγματικά, τόσο η Εποχή του Επαναϊονισμού, όσο και πολύ περισσότερο ο Κοσμικός Μεσαίωνας που προηγήθηκε, σχετίζονται καίρια με πολλά και αναπάντητα ακόμη κοσμολογικά ερωτήματα που αφορούν στον σχηματισμό και στην εξέλιξη της δομής μέσα στο Σύμπαν. Σε αυτά τα ερωτήματα περιλαμβάνεται φυσικά και ο τρόπος με τον οποίο η αρχικά εκπληκτικά ομοιόμορφη κατανομή της ύλης, όπως αυτή αναδεικνύεται μέσα από τις μελέτες της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, εξελίχθηκε στις δομές που παρατηρούμε σήμερα, δηλαδή στους γαλαξίες και τα γαλαξιακά σμήνη. Όμως, παρόλη την κομβική σημασία τους, παραμένουν δύο από τις λιγότερο κατανοητές περιόδους της εξέλιξης του Σύμπαντος γιατί η θεωρητική έρευνα που διεξάγεται γι’ αυτόν τον σκοπό καθοδηγείται από έναν πολύ περιορισμένο αριθμό παρατηρησιακών δεδομένων.

Για να επιστρέψουμε, στην αρχική μελέτη, το πρωτοσμήνος LAGER-z7OD1 απαρτίζεται από τουλάχιστον 21 γαλαξίες, με εκρηκτικό ρυθμό αστρογένεσης στο εσωτερικό τους, οι οποίοι πλησιάζουν ο ένας τον άλλον, στα πρώτα στάδια του σχηματισμού ενός γαλαξιακού σμήνους και σε μία εποχή όπου το Σύμπαν είχε ηλικία «μόλις» 770 εκατ. ετών. Πρόκειται για το πλέον αρχέγονο πρωτοσμήνος που έχει ανακαλυφθεί έως τώρα και πιθανότατα έχει ήδη εξελιχθεί σε ένα τεράστιο γαλαξιακό σμήνος με διάμετρο 100 εκατ. έτη φωτός και με μάζα που υπολογίζεται ότι σήμερα θα είναι σχεδόν 4 τετράκις εκατομμύρια (δηλαδή ο αριθμός 4 ακολουθούμενος από 15 μηδενικά) φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου.

Αρχέγονοι γαλαξίες όπως αυτοί αποτελούν, όπως είπαμε, την κύρια πηγή της ακτινοβολίας που «επαναϊόνισε» το ουδέτερο αέριο υδρογόνο στο πρώιμο Σύμπαν, ενώ εικάζεται ότι η Εποχή του Επαναϊονισμού πρέπει σε μεγάλο βαθμό να είχε ήδη ολοκληρωθεί 770 εκατ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Πραγματικά, οι συγγραφείς της μελέτης με επικεφαλής τον Weida Hu από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, αναφέρουν ότι οι φυσαλίδες του ιονισμένου αερίου που περιβάλλουν κάθε μεμονωμένο γαλαξία έχουν συνολικό όγκο συγκρίσιμο με τον όγκο του ίδιου του πρωτοσμήνους, γεγονός που υποδηλώνει ότι η μεσογαλαξιακή ύλη στο εσωτερικό του έχει ιονιστεί σχεδόν πλήρως.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το οποίο προγραμματίζεται να εκτοξευθεί στις 31 Οκτωβρίου 2021, θα συμβάλει καθοριστικά στην περαιτέρω διερεύνηση αυτής της περιόδου στην εξέλιξη του Σύμπαντος, δίνοντας το έναυσμα για μια νέα εποχή στην αναζήτηση των πρωταρχικών άστρων και γαλαξιών του Σύμπαντος.

 

Πηγή: A Lyman-α protocluster at redshift 6.9 | Nature Astronomy

Βίντεο: Στην προσομοίωση αυτή βλέπουμε τον σταδιακό ιονισμό μιας τυπικής περιοχής του Σύμπαντος. Με μπλε χρώμα διακρίνονται οι θερμές και ιονισμένες περιοχές που σχηματίζονται γύρω από τους γαλαξίες, οι οποίες διευρύνονται παράλληλα με τους γαλαξίες τους και σταδιακά συγχωνεύονται μεταξύ τους, ιονίζοντας εντέλει ολόκληρο το Σύμπαν [Simulation credit: Marcelo Alvarez (CITA), Tom Abel (Stanford) Visualization credit: Marcelo Alvarez, Ralf Kaehler (Stanford), Tom Abel]

π