Αστρονόμοι ανακάλυψαν άστρα που δημιουργήθηκαν απευθείας απ’ το Big Bang

του Χρήστου Ντάνου*

Μία ομάδα αστρονόμων, την οποία ηγείται ο Ντέιβιντ Σομπράλ από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής και Επιστημών Διαστήματος του Πανεπιστημίου της Λισαβώνας, παρατήρησε τις ισχυρότερες μέχρι σήμερα ενδείξεις ύπαρξης της πρώτης γενιάς άστρων του σύμπαντος. Τα άστρα αυτά απαρτίζονται από συστατικά που προέρχονται απευθείας από την Μεγάλη Έκρηξη, ουσιαστικά μόνο υδρογόνο και ήλιο, και πολύ μικρές ποσότητες λιθίου, ενώ περιέχουν πολύ λίγα, έως καθόλου, μέταλλα. Κατηγοριοποιούνται ως άστρα Πληθυσμού ΙΙΙ, μία κατηγορία αστέρων που υπήρχε μόνο στη θεωρία από το 1978, όταν και η ύπαρξή τους είχε προβλεφθεί για πρώτη φορά.

Όπως είναι γνωστό στους αστρονόμους, όλα τα βαρύτερα στοιχεία, μεταξύ των οποίων το οξυγόνο, το άζωτο, ο άνθρακας και ο σίδηρος, τα οποία είναι απαραίτητα για να δημιουργηθεί ζωή, σχηματίστηκαν μέσα σε άστρα, οπότε, θεωρητικά, τα πρώτα από αυτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να περιέχουν μόνο τα πρώτα χημικά στοιχεία που υπήρξαν στο σύμπαν. Τα άστρα αυτά θα έπρεπε να είναι εκατοντάδες ή και χιλιάδες φορές πιο μεγάλα από τον ήλιο, να είναι εξαιρετικά θερμά, να εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες υπεριώδους ακτινοβολίας, και να εκρήγνυνται ως σουπερνόβα στο τέλος της μόλις περίπου δύο εκατομμυρίων ετών ζωής τους.

Μέχρι πρόσφατα, πολλοί αστρονόμοι πίστευαν ότι δε θα μπορούσαμε ποτέ να παρατηρήσουμε τέτοια αστέρια, καθώς θα είχαν εξαφανιστεί όταν το σύμπαν ήταν ακόμα πολύ νέο, με αποτέλεσμα να βρίσκονται υπερβολικά μακριά μας για να είναι ορατά. Χρησιμοποιώντας, όμως, νέα όργανα που εγκαταστάθηκαν στο Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (Very Large Telescope ή VLT) του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου (European Southern Observatory ή ESO) που βρίσκεται στο βουνό Τσέρο Παρανάλ του Περού, η ομάδα βρήκε έναν μοναδικά λαμπρό και εξαιρετικά μακρινό γαλαξία, ο οποίος φαίνεται να περιέχει άστρα Πληθυσμού ΙΙΙ. Ο γαλαξίας αυτός, ο οποίος πήρε το καθόλου ευφάνταστο όνομα CR7, είναι τρεις φορές πιο φωτεινός από τον φωτεινότερο μακρινό γαλαξία που είχε εντοπιστεί μέχρι σήμερα.

«Οι ενδείξεις είναι ισχυρές. Έκαναν προσεκτική δουλειά», είπε ο Άβι Λεμπ, διευθυντής του τμήματος αστρονομίας του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ.

Ψάχνοντας βαθιά μέσα στην ιστορία του σύμπαντος, στην λεγόμενη εποχή του επαναϊονισμού, μόλις 800 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη που συνέβη πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, οι αστρονόμοι πραγματοποίησαν την μεγαλύτερη χαρτογράφηση αρχαίων γαλαξιών που έχει επιχειρηθεί ποτέ. Για να επιτευχθεί αυτό, εκτός από το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο, η ομάδα είχε βοήθεια από το Παρατηρητήριο W. M. Keck, το Τηλεσκόπιο Σουμπαρού, καθώς και από το τηλεσκόπιο Χάμπλ. Η ομάδα κατάφερε να εντοπίσει αρκετούς πολύ φωτεινούς γαλαξίες του νεαρού σύμπαντος, μεταξύ των οποίων και τον CR7, εγχείρημα το οποία θα είχε ήδη στεφθεί με επιτυχία, αν η περεταίρω έρευνα δεν είχε αποδειχθεί ακόμα πιο εντυπωσιακή.

Τα νέα όργανα του Πολύ Μεγάλου Τηλεσκοπίου (X-Shooter και SINFONI) εντόπισαν, σε μία πολύ φωτεινή περιοχή του, ισχυρές εκπομπές ιονισμένου ηλίου στον CR7, αλλά κανένα ίχνος βαρύτερων στοιχείων. «Δεν υπήρχαν ίχνη άλλων στοιχείων, μόνο ήλιο και υδρογόνο», είπε ο Ντέιβιντ Σομπράλ. Αυτό σημαίνει ότι η ομάδα ανακάλυψε τις πρώτες ισχυρές ενδείξεις μίας συστάδας άστρων ιονισμένων αερίων Πληθυσμού ΙΙΙ εντός ενός από τους γαλαξίες που δημιουργήθηκαν κοντά στην αρχή του σύμπαντος.

«Η ανακάλυψη αποτέλεσε πρόκληση για τις προσδοκίες μας από την αρχή», είπε ο Σομπράλ, «καθώς δεν περιμέναμε να βρούμε έναν τόσο φωτεινό γαλαξία. Τότε, αποκαλύπτοντας ένα-ένα τα χαρακτηριστικά της φύσης του CR7, όχι μόνο καταλάβαμε ότι βρήκαμε τον φωτεινότερο, κατά πολύ, μακρινό γαλαξία, αλλά αρχίσαμε να συνειδητοποιούμε ότι είχε κάθε μία από τις ιδιότητες που είχαν προβλεφθεί για τα άστρα Πληθυσμού ΙΙΙ. Αυτά τα άστρα ήταν αυτά που σχημάτισαν τα πρώτα βαρύτερα άτομα, τα οποία, τελικά, επέτρεψαν σε εμάς να υπάρχουμε. Δε μπορεί να γίνει πιο συναρπαστικό απ’ αυτό».

Χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Χάμπλ για να εξετάσουν τον CR7 από πιο κοντά, η ομάδα ξεχώρισε τρεις περιοχές του γαλαξία με διαφορετικές εκπομπές, μία η οποία φαίνεται να απαρτίζεται από αστέρες Πληθυσμού ΙΙΙ και δύο που περιέχουν ψυχρότερα, πιο κοινά άστρα, όπως πρόκειται να δημοσιευτεί σε επερχόμενο τεύχος του περιοδικού The Astrophysical Journal. Αυτό, εξηγεί ο Σομπράλ, δείχνει ότι τα άστρα Πληθυσμού ΙΙΙ δημιουργούνται σε κύματα, όπως είχε θεωρητικά προβλεφθεί, όπου όταν μία περιοχή άστρων αρχίσει να σβήνει, μία άλλη περιοχή άστρων Πληθυσμού ΙΙΙ αρχίζει να σχηματίζεται σε ένα άλλο σημείο του γαλαξία, κ.ο.κ. Ένα τέτοιο κύμα σε αυτή τη φάση της εξέλιξης του σύμπαντος «θα ήταν αυτό που θα αναμέναμε», συμπληρώνει ο Λεμπ. Αυτό που παρατήρησε η ομάδα ήταν το τελευταίο κύμα αστέρων Πληθυσμού ΙΙΙ, πράγμα το οποίο οδήγησε στο συμπέρασμα ότι τέτοιοι αστέρες πρέπει να είναι ευκολότερο να εντοπιστούν απ’ ό,τι θεωρούσαμε μέχρι σήμερα. Οι αστέρες αυτοί θα πρέπει να βρίσκονται ανάμεσα σε κοινά άστρα στους πιο φωτεινούς γαλαξίες, και όχι μόνο στους αρχαιότερους, μικρότερους και ισχνότερους από αυτούς, οι οποίοι είναι υπερβολικά αμυδροί στον ουρανό για να μελετηθούν.

Ο Λεμπ παρατήρησε ότι το επιστημονικό πεδίο των αστέρων και γαλαξιών πρώτης γενιάς ήταν κατά βάση θεωρητικό μέχρι πρότινος, οπότε είναι ευχάριστο να βλέπουμε ενδείξεις ότι όντως υπάρχουν. Ο Μαρκ Ντιντζίστρα του Πανεπιστημίου του Όσλο, όμως, προειδοποιεί ότι υπάρχουν ακόμα μερικές ανεξήγητες πτυχές του CR7, όπως το πώς είναι δυνατό ένας γαλαξίας με τόσα πολλά άστρα Πληθυσμού ΙΙΙ να υπάρχει τόσα πολλά χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Παρόλα αυτά, «ακόμα κι αν ο CR7 δεν τροφοδοτείται καθόλου από αστέρες Πληθυσμού ΙΙΙ,  θα μας προσφέρει χρήσιμες πληροφορίες για τον σχηματισμό των γαλαξιών και πιθανώς και των μαύρων τρυπών, όταν το σύμπαν ήταν ακόμα νέο».

Ο Τζορίτ Μαθί, μέλος της ομάδας αστρονόμων που πραγματοποίησε την ανακάλυψη, κατέληξε: «Πάντα αναρωτιόμουν από πού προήλθαμε. Ακόμα κι ως παιδί ήθελα να ξέρω από πού προήλθαν τα χημικά στοιχεία, το ασβέστιο στα κόκκαλά μου, ο άνθρακας στους μύες μου, ο σίδηρος στο αίμα μου. Διαπίστωσα ότι αυτά πρώτα σχηματίστηκαν στην αρχή του σύμπαντος από την πρώτη γενιά αστεριών. Είναι αξιοσημείωτο ότι με αυτή την ανακάλυψη αρχίζουμε πράγματι να βλέπουμε τέτοια αντικείμενα για πρώτη φορά».

Επιπλέον παρατηρήσεις έχουν δρομολογηθεί χρησιμοποιώντας τα ίδια τηλεσκόπια, με σκοπό να επιβεβαιωθεί, πέρα κάθε αμφιβολίας, ότι τα άστρα αυτά ανήκουν όντως στον Πληθυσμό ΙΙΙ, και να αναζητηθούν και να ταυτοποιηθούν κι άλλοι τέτοιοι γαλαξίες. Ο Ντέιβιντ Σομπράλ , μάλιστα, έκλεισε λέγοντας ότι η χαρτογράφηση έχει ήδη παράγει ακόμα πιο εντυπωσιακούς υποψήφιους γαλαξίες και «αυτή είναι μόνο η αρχή».

Πηγές:

http://arxiv.org/abs/1504.01734

http://news.sciencemag.org/space/2015/06/astronomers-spot-first-generation-stars-made-big-bang

http://www.astronomy.com/news/2015/06/the-very-large-telescope-discovers-brightest-distant-galaxy-and-signs-of-population-iii-stars

*Ο Χρήστος Ντάνος είναι ερευνητικός συνεργάτης του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου από το 2006. Σπούδασε Ηλεκτρονικός Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών (BEng) στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμινγκχαμ από όπου κατέχει και μεταπτυχιακό τίτλο (MSc) στο ίδιο αντικείμενο. Επίσης, κατέχει μεταπτυχιακό τίτλο στην Οργάνωση και Διοίκηση Επιχειρήσεων από το Οικονομικό Πανεπιστήμιο Αθηνών.