Το Planck αποκαλύπτει πως τα πρώτα άστρα γεννήθηκαν αργά

Η ιστορία του Σύμπαντος μας είναι μια ιστορία 13,8 δισεκατομμυρίων ετών που οι επιστήμονες προσπαθούν να διαβάσουν από τη μελέτη των πλανητών, των αστεροειδών, των κομητών και άλλων αντικειμένων στο ηλιακό μας σύστημα, και τη συλλογή του φωτός που εκπέμπεται από τα μακρινά αστέρια, τους γαλαξίες και την ύλη που υπάρχει μεταξύ τους.

Μια σημαντική πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιούνται για να συναρμολογήσουν αυτή την ιστορία είναι το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, ή CMB, το απολίθωμα του φωτός που προκύπτει από τότε που το Σύμπαν ήταν καυτό και πυκνό, μόνο 380.000 χρόνια μετά το Big Bang.

Χάρη στην διαστολή του Σύμπαντος, βλέπουμε αυτό το φως σήμερα να καλύπτει ολόκληρο τον ουρανό σε μήκη κύματος μικροκυμάτων.

Μεταξύ του 2009 και του 2013, το Planck παρακολούθησε τον ουρανό για να μελετήσει αυτό το αρχαίο φως με πρωτοφανή λεπτομέρεια. Μικροσκοπικές διαφορές στη θερμοκρασία ανιχνεύουν ελαφρώς διαφορετικής πυκνότητας περιοχές υποβάθρου στο νεαρό σύμπαν, που εκπροσωπούν τους σπόρους όλων των μελλοντικών δομών, των αστεριών και των γαλαξιών του σήμερα.

Οι επιστήμονες από τη συνεργασία του Planck έχουν δημοσιεύσει τα αποτελέσματα από την ανάλυση αυτών των δεδομένων σε έναν μεγάλο αριθμό επιστημονικών εργασιών κατά τη διάρκεια των δύο τελευταίων ετών, επιβεβαιώνοντας την κοσμολογική εικόνα πρότυπο του Σύμπαντος μας με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια.

"Αλλά υπάρχει κάτι περισσότερο: η CMB φέρει πρόσθετες ενδείξεις σχετικά με την κοσμική ιστορία μας που έχουν κωδικοποιηθεί στην 'πόλωση' του", εξηγεί ο Jan Tauber, επιστήμονας του έργου Planck της ESA.

"Το Planck μέτρησε αυτό το σήμα για πρώτη φορά σε υψηλή ανάλυση στο σύνολο του ουρανού, παράγοντας τους μοναδικούς χάρτες που δημοσιεύθηκαν σήμερα."

Το φως είναι πολωμένο όταν δονείται σε μια προτιμητέα κατεύθυνση, κάτι που μπορεί να προκύψει ως αποτέλεσμα των φωτονίων - τα σωματίδια του φωτός – που αναπηδούν από άλλα σωματίδια. Αυτό είναι ακριβώς που συνέβη όταν η CMB γεννήθηκε στις αρχές του Σύμπαντος.

Αρχικά, τα φωτόνια είχαν παγιδευτεί σε μια καυτή, πυκνή σούπα σωματιδίων που, τη στιγμή που το Σύμπαν είχε ηλικία λίγων δευτερολέπτων, αποτελούνταν κυρίως από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρίνα. Λόγω της υψηλής πυκνότητας, τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια συγκρούονταν το ένα με το άλλο τόσο συχνά που το φως δεν μπορούσε να ταξιδέψει σε οποιαδήποτε σημαντική απόσταση πριν από την πρόσκρουση σε ένα άλλο ηλεκτρόνιο, καθιστώντας το πρώιμο Σύμπαν εξαιρετικά 'ομιχλώδες'.

Αργά αλλά σταθερά, καθώς το σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, τα φωτόνια και τα άλλα σωματίδια απομακρύνθηκαν μεταξύ τους, και οι συγκρούσεις έγιναν λιγότερο συχνές.

Αυτό είχε δύο συνέπειες: τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια μπόρεσαν τελικά να συνδυαστούν και να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα χωρίς αυτά να διασπώνται πάλι από ένα εισερχόμενο φωτόνιο, και τα φωτόνια είχαν αρκετό χώρο για να ταξιδέψουν, δεν ήταν πλέον παγιδευμένα στην κοσμική ομίχλη.

Όταν απελευθερώθηκε από την ομίχλη, το φως ξεκίνησε το κοσμικό ταξίδι του που το φέρνει μέχρι το σήμερα, όπου τηλεσκόπια όπως το Planck το ανιχνεύουν ως CMB. Αλλά το φως διατηρεί επίσης μια μνήμη από την τελευταία συνάντηση του με τα ηλεκτρόνια, η οποία αιχμαλωτίστηκε στην πόλωση του.

"Η πόλωση της CMB δείχνει επίσης μικροσκοπικές διακυμάνσεις από το ένα μέρος του ουρανού στο άλλο: όπως οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, αυτές αντικατοπτρίζουν την κατάσταση του κόσμου τότε που το φως και η ύλη αποχωρίστηκαν", λέει ο François Bouchet του Ινστιτούτου Αστροφυσικής του Παρισιού, Γαλλία.

"Αυτό παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο ώστε να εκτιμηθούν με έναν νέο και ανεξάρτητο τρόπο παράμετροι όπως η ηλικία του Σύμπαντος, ο ρυθμός της διαστολής και η ουσιαστική σύνθεση του από κανονική ύλη, σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια."

Τα δεδομένα πόλωσης από το Planck επιβεβαιώνουν τις λεπτομέρειες του προτύπου κοσμολογικής εικόνας που καθορίζεται από τη μέτρηση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας CMB, αλλά προσθέτουν μια σημαντική νέα απάντηση σε ένα θεμελιώδες ερώτημα: πότε γεννήθηκαν τα πρώτα αστέρια;

"Μετά την απελευθέρωση της CMB, το Σύμπαν ήταν ακόμη πολύ διαφορετικό από αυτό που ζούμε σήμερα, και πήρε πολύ χρόνο μέχρι τα πρώτα άστρα να μπορέσουν να σχηματίσουν," εξηγεί ο Μάρκο Bersanelli του Πανεπιστημίου του Μιλάνο, Ιταλία.

"Οι παρατηρήσεις της πόλωσης της CMB από το Planck μας λένε τώρα ότι αυτή η ‘Σκοτεινή Εποχή’ έληξε περίπου 550 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang - πάνω από 100 εκατομμύρια χρόνια αργότερα από ότι εθεωρείτο μέχρι σήμερα.

"Ενώ αυτά τα 100 εκατομμύρια χρόνια μπορεί να φαίνονται αμελητέα σε σύγκριση με την ηλικία των περίπου 14 δισεκατομμυρίων χρόνων του Σύμπαντος, κάνουν μια σημαντική διαφορά όταν πρόκειται για το σχηματισμό των πρώτων άστρων."

Η Σκοτεινή Εποχή έληξε όταν τα πρώτα άστρα άρχισαν να λάμπουν. Και καθώς το φως τους αλληλεπιδρούσε με το αέριο στο Σύμπαν, όλο και περισσότερα άτομα είχαν γυρίσει πίσω στα συστατικά τους σωματίδια: τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια.

Αυτή η κρίσιμη φάση στην ιστορία του σύμπαντος είναι γνωστή ως η 'εποχή του επαναϊονισμού'.

Τα προσφάτως απελευθερωμένα ηλεκτρόνια ήταν και πάλι σε θέση να συγκρουστούν με το φως από την CMB, αν και λιγότερο συχνά τώρα που το Σύμπαν είχε διασταλεί σημαντικά. Παρ 'όλα αυτά, όπως ακριβώς είχαν 380.000 χρόνια μετά το Big Bang, αυτές οι συναντήσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και των φωτονίων άφησαν ένα ενδεικτικό αποτύπωμα στην πόλωση της CMB.

"Από τις μετρήσεις μας από τους πιο απόμακρους γαλαξίες και κβάζαρ, ξέρουμε ότι η διαδικασία του επαναϊονισμού είχε ολοκληρωθεί από τη στιγμή που το Σύμπαν ήταν περίπου 900 εκατομμυρίων ετών," λέει ο Γιώργος Ευσταθίου του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, Ηνωμένο Βασίλειο.

"Όμως, αυτή τη στιγμή, μόνο με τα δεδομένα της CMB μπορούμε να μάθουμε πότε ξεκίνησε αυτή η διαδικασία."

Τα νέα αποτελέσματα του Planck είναι σημαντικά, διότι οι προηγούμενες μελέτες της πόλωσης της CMB φάνηκε να δείχνουν προς μια παλαιότερη αυγή των πρώτων αστεριών, τοποθετώντας την αρχή του επαναϊονισμού περίπου 450 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang.

Αυτό δημιούργησε πρόβλημα. Πολύ βαθιές εικόνες του ουρανού από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA-ESA έδωσαν μια αίσθηση των πρώτων πιο γνωστών γαλαξιών στο Σύμπαν, το οποίο άρχισε να σχηματίζεται ίσως 300-400 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang.

Ωστόσο, αυτά δεν θα ήταν αρκετά ισχυρά ώστε να πετύχουν τον τερματισμό της Σκοτεινής Εποχής μέσα σε 450 εκατομμύρια χρόνια.

"Σε αυτή την περίπτωση, θα χρειαζόμασταν επιπλέον, πιο εξωτικές πηγές ενέργειας για να εξηγηθεί η ιστορία του επαναϊονισμού", λέει ο καθηγητής Ευσταθίου.

Τα νέα στοιχεία από το Planck μειώνουν αισθητά το πρόβλημα, υποδεικνύοντας ότι ο επαναϊονισμός άρχισε αργότερα από ότι πιστευόταν παλαιότερα, και ότι τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες και μόνο θα μπορούσαν να ήταν αρκετά για να το προκαλέσουν.

Αυτό το αργότερο τέλος της Σκοτεινής Εποχής συνεπάγεται επίσης ότι θα μπορούσε να είναι πιο εύκολο να ανιχνευθεί η πρώτη γενιά των γαλαξιών με την επόμενη γενιά παρατηρητηρίων, συμπεριλαμβανομένου του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb.

Αλλά τα πρώτα αστέρια σίγουρα δεν αποτελούν το όριο. Με τα νέα δεδομένα του Planck που δημοσιεύονται σήμερα, οι επιστήμονες μελετούν, επίσης, την πόλωση των εκπομπών προσκηνίου από το αέριο και τη σκόνη μέσα στον Γαλαξία μας για να αναλύσουν τη δομή του γαλαξιακού μαγνητικού πεδίου.

Τα δεδομένα έδωσαν επίσης τη δυνατότητα για νέες σημαντικές γνώσεις σχετικά με το νεαρό Σύμπαν και τα συστατικά του, συμπεριλαμβανομένης και της ενδιαφέρουσας σκοτεινής ύλης και των δυσδιάκριτων νετρίνων, όπως περιγράφεται στις εγασίες που επίσης δημοσιεύθηκαν σήμερα.

Τα δεδομένα του Planck έχουν εμβαθύνει στην ακόμα πιο πρώιμη ιστορία του Σύμπαντος, σε όλη τη διαδρομή προς τον πληθωρισμό - τη σύντομη εποχή της επιταχυνόμενης διαστολής που υπέστη το Σύμπαν όταν ήταν ακόμα ηλικίας ενός μικρού κλάσματος του δευτερολέπτου. Ως η απόλυτη κάψουλα αυτής της εποχής, οι αστρονόμοι ψάχνουν για την υπογραφή των βαρυτικών κυμάτων που προκλήθηκαν από τον πληθωρισμό και αργότερα αποτυπώθηκαν στην πόλωση της CMB.

Δεν έχει επιτευχθεί ακόμη άμεση ανίχνευση του σήματος αυτού, όπως αναφέρθηκε την περασμένη εβδομάδα. Ωστόσο, όταν συνδυάζονται τα νεότερα δεδομένα του Planck όλου του ουρανού με αυτά τα τελευταία αποτελέσματα, τα όρια για το ποσό των αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων πιέζονται ακόμη περισσότερο προς τα κάτω για να επιτευχθούν τα καλύτερα ανώτατα όρια έως τώρα.

"Αυτά είναι μόνο μερικά στιγμιότυπα από την εξέταση των παρατηρήσεων του Planck της πόλωσης CMB, που αποκαλύπτουν τον ουρανό και το Σύμπαν με έναν ολοκαίνουργιο τρόπο", λέει ο Jan Tauber.

"Αυτό είναι ένα απίστευτα πλούσιο σύνολο δεδομένων και οι ανακαλύψεις μόλις άρχισαν."

Notes for Editors

Μια σειρά επιστημονικών εργασιών που περιγράφουν τα νέα αποτελέσματα εκδόθηκε στις 5 Φεβρουαρίου και μπορείτε να τα κατεβάσετε από εδώ.

Τα νέα αποτελέσματα από το Planck βασίζονται στις ολοκληρωμένες παρατηρήσεις όλου του ουρανού που έγιναν μεταξύ του 2009 και 2013. Τα νέα δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων και των θερμοκρασιακών χαρτών της CMB και στις εννέα συχνότητες που παρατηρήθηκαν από το Planck και χαρτών πόλωσης σε τέσσερις συχνότητες (30, 44, 70 και 353 GHz), δημοσιεύτηκαν επίσης σήμερα.

Οι τρεις κύριοι επιστημονικοί επικεφαλής της αποστολής Planck, Nazzareno Mandolesi, Jean-Loup Puget και Jan Tauber, βραβεύθηκαν προσφάτως με το βραβείο 2015 EPS Edison Volta Prize για "directing the development of the Planck payload and the analysis of its data, resulting in the refinement of our knowledge of the temperature fluctuations in the Cosmic Microwave Background as a vastly improved tool for doing precision cosmology at unprecedented levels of accuracy, and consolidating our understanding of the very early universe."

Για περισσότερες πληροφορίες μπορείτε να επικοινωνήσετε με:

Markus Bauer
ESA Science and Robotic Exploration Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799; +34 91 8131 199
Mob: +31 61 594 3954
Email: Markus.Bauer@esa.int

Jan Tauber
ESA Planck Project Scientist
Tel: +31 71 565 5342
Email: Jan.Tauber@esa.int

François Bouchet
Institut d’Astrophysique de Paris (CNRS/UPMC), France
Tel: +33 1 4432 8095
Email: bouchet@iap.fr

Marco Bersanelli
Università degli Studi di Milano, Italy
Tel: +39 02 50317264
Email: marco.bersanelli@mi.infn.it

George Efstathiou
University of Cambridge, UK
Tel: +44 1223 337530
Email: gpe@ast.cam.ac.uk