Százmillió évvel később születhettek az első csillagok

271

A Planck-űrszonda most nyilvánosságra hozott új mérésein alapuló eredmények szerint az univerzum első csillaggenerációja mintegy százmillió évvel később jött létre, mint azt eddig gondolták.

Univerzumunk története egy 13,8 milliárd éves mese, amelynek különböző rétegeit a kutatók a bolygók, aszteroidák, üstökösök és más naprendszerbeli objektumok vizsgálatával, illetve a távoli csillagok, galaxisok és a közöttük lévő anyag által kibocsátott sugárzás elemzésével igyekeznek felfejteni. A kirakós játék egyes részeinek megfelelő helyre való beillesztéséhez a legjobb eszközt talán a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB, Cosmic Microwave Background) szolgáltatja, az az ősi fény, amely az Ősrobbanás után 380 ezer évvel keletkezett, amikor a világegyetem még nagyon forró és sűrű volt. Az univerzum tágulásának következtében azonban ez a sugárzási mező lehűlt, és ma már mint az egész égboltot uraló háttérsugárzás figyelhető meg a mikrohullámú tartományban. Az ESA Planck-űrszondája 2009 és 2013 között minden eddiginél jobb térbeli felbontással térképezte fel ezt az égi hátteret. A különböző irányokban a sugárzás hőmérsékletében tapasztalható rendkívül piciny eltérések arra utalnak, hogy a korai világegyetemet kicsi sűrűségfluktuációk jellemezték és a helyi sűrűségmaximumok voltak a csírái a később kialakuló szerkezetnek, a galaxishalmazok, galaxisok és csillagok rendszereinek.

Jan Tauber, a Planck-kollaboráció kutatójának magyarázata szerint azonban nem csak a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hőmérséklet-ingadozásaiban van kódolt információ a korai univerzum történetéről, hanem a sugárzás polarizációjában is, amit a Planck-űrszonda elsőként mért meg nagy térbeli felbontással az egész égboltra kiterjedően, és amiről a kutatók egyedülálló térképet készítettek és hoztak nyilvánosságra a napokban. Nem polarizált fény esetében az elektromos és mágneses térerősségvektorok a terjedés irányára merőleges síkban minden irányban változhatnak – rezeghetnek. Ha azoban a fotonok valamivel, például részecskékkel ütköznek – szóródnak azokon -, akkor ennek a rezgési állapotnak már lesz valamilyen kitüntetett iránya, azt mondjuk, hogy a sugárzás valamilyen mértékben polarizált lesz. Pontosan ezt történt a korai világegyetemben is, amikor a mikrohullámú háttérsugárzás keletkezett.

Az Ősrobbanás után néhány másodperccel a fotonok a rendkívül forró és sűrű, főleg elektronokból, protonokból és neutrínókból álló “ősleves” foglyai voltak. A nagy sűrűség és hőmérséklet miatt a protonok és az elektronok olyan gyakran ütköztek egymással, hogy a fotonok szabad úthossza rendkívül rövid volt, jelentéktelen utat tudtak csak megtenni, mielőtt egy másik elektronon szóródtak volna: az univerzum extrém módon “ködös” volt. Azonban amint a kozmosz tágult és hűlt, a köd lassan, de biztosan oszlott: a fotonok és a részecskék egyre nagyobb utat tudtak megtenni két ütközés között, amelyek így egyre ritkábbá váltak. Ennek viszont két következménye is volt. Egyrészt a protonok és az elektronok semleges hidrogénatomokká állhattak össze, anélkül, hogy a fotonok azonnal szétrombolták volna azokat, másrészt a fotonok szabad úthossza annyira megnövekedett, hogy lecsatolódhattak a plazmáról, azaz oszlott a kozmikus köd. Amint ez megtörtént, a sugárzás megkezdhette hosszú utazását, hogy a Planck műszerei ma mikrohullámú sugárzásként detektálhassák az égbolt minden irányából. A fény azonban polarizációs állapotában megőrizte az elektronokkal történt utolsó találkozásának emlékét.

20150207_szazmillio_evvel_kesobb_szulethettek_az_elso_csillagok_1
A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás polarizációs térképe a Planck-űrszonda mérései alapján (ESA and the Planck Collaboration).

A mérések alapján a mikrohullámú háttérsugárzás polarizációja ugyanolyan kicsiny térbeli fluktuációkat mutat, mint a hőmérséklete. François Bouchet (Institut d’Astrophysique de Paris) szerint ez rendkívül hatékony eszközt ad a kezünkbe, hogy új és független módon becsüljünk meg olyan mennyiségeket mint az univerzum kora, tágulási üteme vagy, hogy milyen arányban áll normál anyagból, sötét anyagból és sötét energiából. A Planck polarizációs adatai megerősítik azt a standard kozmológiai képet, ami a mikrohullámú háttérsugárzás hőmérsékletének ingadozásaiból következik, fontos új választ adnak azonban egy alapvető kérdésre is: mikor születtek az első csillagok?

A mikrohullámú háttérsugárzás keletkezésekor az univerzum teljesen másként nézett ki, mint ma, és hosszú időbe telt, míg az első csillagok felragyogtak. Marco Bersanelli (Università degli Studi di Milano) szerint a Planck mérései azt jelzik, hogy a “sötétség kora” mintegy 550 millió évvel az Ősrobbanás után ért véget, ami azonban 100 millió évvel későbbi időpont, mint azt a kutatók eddig gondolták. Bár a 100 millió év semmiségnek tűnhet a világegyetem majdnem 14 milliárd éves korához képest, óriási jelentősége van az első csillaggeneráció kialakulásával kapcsolatban. Amint ugyanis az első csillagok elkezdtek világítani, fényük a hidrogénatomokkal kölcsönhatásba lépve újra szétszakította azokat elektronokra és protonokra. Ez, az univerzum történetében kulcsfontosságú időszak a “reionizáció kora”. Az újra szabaddá váló elektronokon ismét szóródhattak a háttérsugárzás fotonjai, bár az ütközések a közben bekövetkezett jelentős tágulás miatt már kétségtelenül ritkábbak voltak. Mindazonáltal – hasonlóan az Ősrobbanás után 380 ezer évvel történt lecsatolódáshoz – ez a folyamat is nyomot hagyott a háttérsugárzás polarizációs mintázatán. George Efstathiou (University of Cambridge) szerint a legtávolabbi galaxisok és kvazárok vizsgálatából tudjuk, hogy a reionizáció folyamata befejeződött, mire az univerzum 900 millió éves lett, azt azonban, hogy mikor kezdődött, csak a mikrohullámú háttérsugárzás elemzéséből tudhatjuk meg.

A Planck új adatai kulcsfontosságúak, mivel a háttérsugárzás polarizációjának korábbi vizsgálatai azt jelezték, hogy az első csillagok születése korábbra, az Ősrobbanás után körülbelül 450 millió évre tehető. Ez azonban felvet egy problémát. Az Hubble-űrteleszkóp mélyég-felvételei alapján megbecsülhető a világegyetem legfiatalabb ismert galaxisainak száma, amelyek az Ősrobbanás után 300-400 millió évvel kezdtek kialakulni. A folyamat azonban nem lehetett olyan hatékony, hogy 450 millió évvel az univerzum születése után már a sötétség kora is véget érjen. Ekkor viszont további, a csillagoknál sokkal egzotikusabb energiaforrások feltételezésére lenne szükségünk a reionizáció magyarázatára. Az új Planck-eredmények azonban jelentősen csökkentik a probléma nagyságát, mivel azt jelzik, hogy a reionizáció korszaka később kezdődött, így a legkorábbi galaxisok és csillagok egyedül is meg tudták oldani ezt a “feladatot”. Az, hogy a sötétség kora 100 millió évvel később ért véget, azt is jelenti, hogy az űrtávcsövek következő generációjának tagjaival – például a James Webb Űrteleszkóppal – könnyebb lesz detektálni a legősibb galaxisokat is.

Nem csak az első csillagokról szerezhetünk új ismereteket a Planck-adatok segítségével. A Tejútrendszerben található por- és gáz emissziójának polarizációja alapján a kutatók tanulmányozhatják a galaktikus mágneses tér szerkezetét, de információt nyerhetünk a korai univerzum összetételéről, a misztikus sötét anyagról és a nehezen megfogható neutrínókról is. De vissza lehet tekinteni egészen az univerzum születéséig, a felfúvódásig is: végső próbaként a kutatók az infláció által okozott gravitációs hullámok nyomait keresik a mikrohullámú háttérsugárzás polarizációs mintázatában. Ezt a jelet egyelőre nem találják, de bíznak abban, hogy a zajszintet előbb-utóbb annyira le tudják szorítani, hogy az már elegendő lesz ősi gravitációs hullámok detektálásához.

Az eredményeket részletező szakcikkek sorozata az Astronomy & Astrophysics c. folyóiratban fog megjelenni.

Forrás: ScienceDaily 2015.02.05.

Hozzászólás

hozzászólás