Πολύ πριν το φως των άστρων φωτίσει για πρώτη φορά το Σύμπαν, μια αόρατη θερμότητα ίσως είχε αρχίσει να αναδεύει το κοσμικό σκοτάδι. Σύμφωνα με μια νέα μελέτη, περίπου 800 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, η ενέργεια από τα πρώτα μαύρα τρύπες και τα απομεινάρια των πρωταρχικών άστρων είχε ήδη αρχίσει να θερμαίνει τα τεράστια νέφη αερίου υδρογόνου που κάλυπταν το Διάστημα. Πρόκειται για μια σπάνια ματιά σε μια από τις πιο μυστηριώδεις και ανεξερεύνητες περιόδους της κοσμικής ιστορίας.
Τα αποτελέσματα φέρνουν τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά στην ανίχνευση του φευγαλέου «σήματος των 21 εκατοστών», μιας αχνής ραδιοφωνικής υπογραφής του ουδέτερου υδρογόνου που θα μπορούσε να αποκαλύψει πώς οι πρώτοι αστέρες και οι μαύρες τρύπες αναμόρφωσαν το πρώιμο Σύμπαν. Όπως εξηγεί η Ridhima Nunhokee, ερευνήτρια στο International Centre for Radio Astronomy Research στο Περθ της Αυστραλίας, «πρόκειται για μία από τις λιγότερο εξερευνημένες εποχές του σύμπαντός μας. Έχουμε ακόμη τόσα να μάθουμε».
Από τα κοσμικά σκοτάδια στο πρώτο φως
Οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι το Σύμπαν ξεκίνησε πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια μέσα σε μια κατάσταση ακραίας θερμότητας και πυκνότητας. Καθώς επεκτεινόταν, το Σύμπαν ψυχόταν ραγδαία. Περίπου 400.000 χρόνια αργότερα, οι θερμοκρασίες έπεσαν αρκετά ώστε τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια να ενωθούν σχηματίζοντας ουδέτερα άτομα υδρογόνου. Έτσι ξεκίνησε η λεγόμενη «κοσμική σκοτεινή εποχή», μια περίοδος χωρίς φως, όπου ολόκληρος ο χώρος ήταν πνιγμένος σε μια ομίχλη από ψυχρό αέριο υδρογόνου.
Εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά, τα πρώτα άστρα και οι νεογέννητοι γαλαξίες άρχισαν να ανάβουν, εκπέμποντας ισχυρή υπεριώδη ακτινοβολία που σταδιακά καθάρισε αυτή την ομίχλη. Αυτή η μεταβατική φάση, γνωστή ως «Εποχή Επαναϊονισμού», σηματοδότησε το τέλος των σκοτεινών χρόνων και την αρχή ενός διαφανούς σύμπαντος όπου το φως μπορούσε να ταξιδέψει ελεύθερα. Όμως, το πώς ακριβώς εξελίχθηκε το Σύμπαν από το ψυχρό και σκοτεινό του παρελθόν έως εκείνη τη στιγμή παραμένει ένα από τα μεγάλα αναπάντητα ερωτήματα της αστρονομίας.
Αναζητώντας τα ίχνη των πρώτων άστρων
Επειδή τα πρώτα αστέρια ήταν υπερβολικά μακρινά, αχνά και βραχύβια, είναι αδύνατο να τα παρατηρήσουμε άμεσα, ακόμη και με τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια. Αντί γι’ αυτό, οι επιστήμονες προσπαθούν να εντοπίσουν τα ίχνη που άφησαν πίσω τους στο υδρογόνο που τα περιέβαλλε.
Σε αυτή τη νέα μελέτη, η Nunhokee και η ομάδα της ανέλυσαν σχεδόν δέκα χρόνια δεδομένων από το Murchison Widefield Array, ένα ραδιοτηλεσκόπιο που βρίσκεται στην απομονωμένη έρημο της Δυτικής Αυστραλίας. Στόχος τους ήταν να εντοπίσουν έναν ανεπαίσθητο ραδιοφωνικό «ψίθυρο» που προέρχεται από εκείνη την εποχή.
Το σήμα των 21 εκατοστών προκύπτει όταν το μοναδικό πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο ενός ατόμου υδρογόνου αλλάζουν τη σχετική τους περιστροφή, μεταβάλλοντας την ενέργειά του και εκπέμποντας ένα φωτόνιο σε συγκεκριμένο μήκος κύματος. Αυτό το σήμα λειτουργεί σαν ένα κοσμικό θερμόμετρο: ανάλογα με το πόσο θερμό ή ψυχρό είναι το αέριο, το σήμα γίνεται πιο έντονο ή πιο ασθενές, αποκαλύπτοντας έτσι τις συνθήκες που επικρατούσαν όταν σχηματίζονταν τα πρώτα ουράνια σώματα.
Το πιο καθαρό ραδιοσήμα του πρώιμου Σύμπαντος
Η ανίχνευση αυτού του σήματος, ωστόσο, είναι εξαιρετικά δύσκολη. Το σήμα του αρχαίου υδρογόνου είναι θαμμένο κάτω από ισχυρό θόρυβο που προέρχεται από τον Γαλαξία μας, άλλους γειτονικούς γαλαξίες, την ατμόσφαιρα της Γης, ακόμη και από το ίδιο το τηλεσκόπιο. Για να το απομονώσουν, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα στατιστική τεχνική φιλτραρίσματος, η οποία αφαιρεί αυτές τις παρεμβολές, αφήνοντας πίσω μόνο το πιο πιθανό ίχνος του αρχαίου υδρογόνου.
Το αποτέλεσμα ήταν η πιο καθαρή εικόνα του «ραδιοουρανού» που έχει παραχθεί ποτέ από δεδομένα του Murchison Widefield Array. Παρότι δεν εντόπισαν άμεσο σήμα, οι ερευνητές κατάφεραν να περιορίσουν σημαντικά τα όρια της ισχύος του, θέτοντας τις πιο αυστηρές μέχρι σήμερα προδιαγραφές για το πόσο έντονο θα μπορούσε να είναι το σήμα των 21 εκατοστών.
Η επικεφαλής της μελέτης, Cathryn Trott, καθηγήτρια στο Curtin Institute of Radio Astronomy, εξήγησε ότι η ομάδα δεν βρήκε ενδείξεις πως το Σύμπαν εκείνη την περίοδο ήταν «παγωμένο» όπως προβλέπουν ορισμένα μοντέλα.
Αν το αέριο μεταξύ των γαλαξιών παρέμενε απολύτως ψυχρό, θα βλέπαμε ένα χαρακτηριστικό μοτίβο στα δεδομένα μας. Αντίθετα, οι μετρήσεις μας δείχνουν πως είχε ήδη θερμανθεί σε κάποιο βαθμό — όχι πολύ, αλλά αρκετά ώστε να αποκλείσουμε ένα απόλυτα ψυχρό σενάριο.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι πιθανές πηγές αυτής της πρώιμης θερμότητας ήταν οι ακτίνες Χ από τις πρώτες μαύρες τρύπες και τα απομεινάρια των τεράστιων άστρων που είχαν αρχίσει να πεθαίνουν. Αυτά τα φαινόμενα θα μπορούσαν να είχαν «ζεστάνει» τον διαγαλαξιακό χώρο πολύ πριν το Σύμπαν γεμίσει φως.
Προετοιμασία για την επόμενη γενιά τηλεσκοπίων
Πέρα από τα ίδια τα αποτελέσματα, η νέα τεχνική καθαρισμού των δεδομένων θεωρείται ορόσημο για τις μελλοντικές έρευνες. Θα αποτελέσει βασικό εργαλείο για το Square Kilometre Array (SKA), το επόμενο μεγάλο ραδιοτηλεσκόπιο που κατασκευάζεται αυτή τη στιγμή σε Αυστραλία και Νότια Αφρική.
Το SKA αναμένεται να διαθέτει αρκετή ευαισθησία ώστε να ανιχνεύσει απευθείας το σήμα των 21 εκατοστών — κάτι που θα επέτρεπε στους επιστήμονες να «ακούσουν» κυριολεκτικά τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος. «Ξέρουμε τι ψάχνουμε», είπε η Nunhokee. «Χρειαζόμαστε μόνο μερικές ώρες δεδομένων από το SKA για να φτάσουμε στο βάθος που θέλουμε».
Αν τα μελλοντικά αυτά παρατηρητήρια επιβεβαιώσουν την ύπαρξη του αρχαίου σήματος, οι αστρονόμοι θα έχουν στα χέρια τους ένα παράθυρο που ανοίγει απευθείας στις πρώτες εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια της ύπαρξης του Σύμπαντος.
[source]
