Długie mroczne lata

Fot. NASA

Wczesny Wszechświat spowity był mgłą neutralnego wodoru i helu. Nawet ultrafioletowe promieniowanie gwiazd z pierwszych galaktyk ledwo mogło przebić się przez kurtynę wszechabsorbującego gazu - okres ten astronomowie przezwali epoką Wieków Ciemnych. Przez setki milionów lat pierwsze gwiazdy stopniowo ogrzewały i jonizowały otaczający gaz przekształcając nieprzezroczysty ocean przestrzeni w przezroczysta pustkę, którą dziś oglądamy. Gdyby tak się nie stało, badanie źródeł UV ograniczone byłoby jedynie do naszej Drogi Mlecznej.

Precyzyjne wyznaczenie kiedy miała miejsce re-jonizacja (przejście z ciemnego do świecącego, przezroczystego Wszechświata) i co ją spowodowało, pozwoli zgłębić historię formowania galaktyk w młodym Wszechświecie. Praca dwu naukowców - J. Stuarta Wyithe'a (University of Melbourne) i Abrahama Loeb'a (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), która ukazała się 26 lutego w Nature sugeruje, że Ciemne Wieki trwały ponad miliard lat, a Wszechświat w wieku miliarda lat był nadal w dużym stopniu neutralny.

Wielki Wybuch stworzył Wszechświat wypełniony gorącym zjonizowanym wodorem i helem. Po upływie około 380 tysięcy lat świat w wyniku ekspansji ochłodził się na tyle, aby jądra i elektrony połączyły się tworząc neutralne atomy wodoru i helu, które absorbowały promieniowanie UV. Przekształcenie ośrodka z nieprzezroczystej ciemności do obecnej dziś niezłej widoczności wymagał powtórnego zjonizowania gazu wypełniającego przestrzeń, czyli powtórnego oderwania elektronów od jąder atomów. Kiedy nastąpiła wtórna jonizacja Wszechświata?

Redshift (czyli przesunięcie ku czerwieni) to przesunięcie emitowanej przez źródło fali w stronę fal dłuższych. Za wzrost ten odpowiedzialny jest nasz Wszechświat, który się rozszerza. Im większy redshift mierzymy, tym obiekt, który obserwujemy musi znajdować się dalej.

Uproszczony model, który zakłada natychmiastową i kompletną jonizację w oparciu o dane z satelity WMAP wskazuje na redshift równy 17, czyli około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Ale naprawdę nie był to proces ani natychmiastowy ani całkowity. Rzeczywistość, jak to często bywa, jest dużo bardziej skomplikowana niż to przedstawia model.

Wyithe i Loeb badali kwazary - bardzo odległe i bardzo jasne obiekty. Dzięki temu, że są to tak jasne latarnie, widać je z daleka - z odległości miliardów lat świetlnych. Ich olbrzymią jasność wykorzystuje się do podpatrywania innych obiektów w "kosmicznym zoo". Kwazary podświetlają swoje najbliższe otoczenie a także przestrzeń między nimi a nami. W sercu każdego kwazara leży supermasywna czarna dziura, która pożera otaczającą ją materie. Materia spływa spiralnie do czarnej dziury rozgrzewając się tak bardzo, że zaczyna świecić.

Promieniowanie ultrafioletowe z kwazarów będzie jonizować gaz w otaczającym ośrodku międzygalaktycznym. Fotony o niższej energii niż fotony UV są "za słabe", by oderwać elektron od jądra wodoru. Chociaż jasne kwazary nie były tak liczne, aby zjonizować cały Kosmos, każdy z nich był jednak na tyle potężny, by stworzyć wokół siebie bąbel zjonizowanego gazu. Rozmiar takiego bąbla zależy od własności otaczającego go gazu. Jeśli najbliższe otoczenie składa się przede wszystkim z neutralnych atomów, kwazary czeka ciężka praca i stworzą jedynie małe bąbelki zjonizowanego gazu. Gdy ośrodek międzygalaktyczny jest już w dużym stopniu zjonizowany, kwazary nie namęczą się bardzo by dokończyć dzieła jonizacji i są w stanie stworzyć dużo większe bąble.

Kwazar J1148+5251 na redshifcie z=6.41. O obiekcie tym pisaliśmy na stronach Edukacyjnego Serwisu Orion w sierpniu zeszłego roku.
Fot. NRAO/AUI/NSF

Miliard lat minął a gaz nadal neutralny

Aby obliczyć ułamek neutralnego wodoru we wczesnym Wszechświecie, Wyithe i Loeb użyli dwu najodleglejszych znanych kwazarów na redshifcie z = 6.28 i z = 6.41, co oznacza, że kwazary te znajdują się w odległości około 13 miliardów lat świetlnych od nas. Obliczyli oni oczekiwany rozmiar zjonizowanych "bąbli" wokół każdego kwazara, zakładając rozsądne wartości tempa emisji jonizujących fotonów i czas życia kwazarów, a następnie porównali swoje przewidywania z obserwowanymi rozmiarami bąbli. Wnioski były jednoznaczne.

Obserwowane rozmiary bąbli były tak małe, że ułamek neutralnego wodoru musiał być duży. Więc nawet miliard lat po Wielkim Wybuchu, gdy re-jonizacja powinna być już dobrze zaawansowana według pomiarów WMAP, większość ośrodka międzygalaktycznego była wciąż neutralna, powiedział profesor Wyithe.

Chociaż proces re-jonizacji rozpoczął się prawdopodobnie wraz z formowaniem pierwszych gwiazd, które wyświecały fotony UV gdzieś na z~30 (około 100 milionów lat po Wielkim Wybuchu), to jednak pełna jonizacja nastąpiła dużo później. Proces ten trwał miliardy lat.

Możliwe jest nawet, że re-jonizacja pojawiła się w dwu oddzielnych fazach zasilanych przez pierwszą i drugą generację gwiazd. Pierwsze gwiazdy były gorące, ponieważ zostały utworzone z pierwotnej materii powstałej w czasie Wielkiego Wybuchu. Gdy w ich wnętrzach wytworzyły się pierwiastki cięższe, a potem rozproszyły się w ośrodku w czasie wybuchu supernowych, następne gwiazdy, które powstawały z tak wzbogaconego gazu, były chłodniejsze i mniej wydajne w jonizacji Wszechświata, mówi profesor Loeb. Niewykluczone, że ośrodek międzygalaktyczny stał się w pełni zjonizowany, tak jak to widzimy dziś, dopiero wówczas, gdy powstała wystarczająca liczba gwiazd drugiej generacji.

5 marca 2004
Źródło | Karolina Zawada

Liczba odsłon: 1011