Galaxia din această imagine captată de telescopul spațial James Webb, numită JADES-GS-z14-0, a stabilit recordul pentru cea mai îndepărtată galaxie. Ea a apărut la doar 290 de milioane de ani după Big Bang.
Credit: NASA, ESA, CSA, STSCI, B. ROBERTSON (UC SANTA CRUZ), B. JOHNSON (CFA), S. TACCHELLA (CAMBRIDGE), P. CARGILE (CFA)
Revoluționarul telescop spațial James Webb și telescoapele radio de ultimă generație explorează ceea ce este cunoscut sub numele de „epoca reionizării”. Această perioadă din istoria universului deține indicii despre primele stele și galaxii, și, poate, despre natura materiei întunecate.
Timp de milioane de ani după Big Bang, după ce „supa” fierbinte de particule din universul s-a răcit, cosmosul a fost un loc întunecat și plictisitor. Nu existau stele care să emită lumină. Nu existau spiralele familiare ale galaxiilor. Cu siguranță nu existau planete. Întregul univers era îmbibat de gaz de hidrogen neutru.
Apoi, poate la aproximativ 100 de milioane de ani, totul a început să se schimbe. În următorul miliard de ani, universul a trecut de la un peisaj banal și neimpresionant la unul bogat și dinamic. Această schimbare profundă a început atunci când primele stele s-au aprins. Pe măsură ce ardeau, generând căldură și formând materie nouă, lumina lor intensă a început să descompună hidrogenul care domina universul. Pretutindeni, electronii erau smulși din aceste atomi, lăsând hidrogenul — cel mai abundent element din univers — în starea ionizată în care se află și astăzi.
Big Bangul a creat o supă fierbinte și ionizată de particule subatomice. La câteva sute de mii de ani, într-un eveniment cunoscut sub numele de „recombinare”, s-au format atomii neutri. A urmat o perioadă numită „epoca întunecată”; universul era saturat cu gaz de hidrogen neutru. Dar, când primele stele s-au aprins, cu mai mult de 100 de milioane de ani după Big Bang, ele au smuls electronii din hidrogen, reionizând treptat cosmosul.
Credit: NAOJ
⇒ Citiți și: Cele cinci ere ale evoluției universului. Teoria ΛCDM
Această perioadă — când tot acel hidrogen a trecut dintr-o formă în alta — este cunoscută sub numele de „epoca reionizării”. A început cu zorii noștri cosmici și a inaugurat era modernă cu toate texturile și caracteristicile sale minunate. Ea servește drept fundal pentru perioada în care universul a „evoluat”.
„Este ultima mare schimbare care a avut loc în universul nostru”, spune astrofizicianul teoretic Julian Muñoz de la Universitatea din Texas, Austin. Totul s-a schimbat în acel miliard de ani, iar de atunci nu s-a schimbat mare lucru.
Deși există modele care descriu cum s-ar fi putut petrece această mare tranziție, există lacune uriașe în înțelegerea noastră.
Când s-au format primele stele și când a început reionizarea datorită luminii care scăpa din galaxiile-gazdă?
Ce fel de galaxii au fost cele mai implicate în reionizare și care a fost rolul găurilor negre?
Cum a progresat reionizarea în timp și spațiu?
Și ce indicii ar putea oferi despre alte mistere cosmice, precum natura materiei întunecate?
„Nu înțelegem cum a ajuns universul să fie ceea ce este astăzi”, spune Muñoz.
Unele răspunsuri sunt acum la îndemână, datorită noilor instrumente care permit oamenilor de știință să privească adânc în primul miliard de ani ai universului. Telescopul spațial James Webb (JWST), lansat în 2021, examinează galaxiile care existau la doar câteva sute de milioane de ani după Big Bang și deja oferă surprize. În același timp, telescoapele radio de ultimă generație se concentrează nu pe galaxii, ci pe hidrogenul neutru care a dominat cândva întreg spațiul. Acest hidrogen oferă indicii despre cum s-a desfășurat epoca reionizării și despre alte caracteristici ale cosmosului.
„Instrumentele pe care le putem folosi acum pentru a studia această epocă a istoriei cosmice sunt fără precedent”, spune astrofizicianul Rob Simcoe de la MIT.
Abundență de lumină
Înțelegerea actuală a evoluției timpurii a universului este cam așa: după Big Bang, acum 13,8 miliarde de ani, cosmosul s-a extins, iar supa primordială de particule subatomice s-a răcit. În prima secundă, s-au format protoni și neutroni. În primele câteva minute, aceștia s-au unit în nuclee atomice. La aproximativ 380.000 de ani, acele nuclee au început să capteze electroni pentru a forma primii atomi. Acest moment, în care supa ionizată a devenit atomi neutri, este cunoscut sub numele de „recombinare” (un termen greșit, deoarece nucleele și electronii nu mai fuseseră combinate vreodată).
Până să fie capturați în atomi, electronii liberi împrăștiau lumina asemenea unei cețe dense în fața farurilor unei mașini. Dar odată ce electronii au fost „îmblânziți”, fotonii au început să se răspândească prin cosmos. Astăzi, acele particule de lumină ajung la noi sub forma unei străluciri slabe cunoscută sub numele de radiația cosmică de fond.
Apoi universul a intrat în ceea ce este cunoscut sub numele de „epoca întunecată”. Cu hidrogen și ceva heliu în tot cosmosul, nu exista nimic semnificativ care să genereze lumină. Cu toate acestea, aglomerările de materie întunecată atrăgeau gazul din jur, unele dintre acestea condensându-se suficient pentru a declanșa fuziunea nucleară. La peste 100 de milioane de ani după Big Bang, primele stele s-au aprins în zorii cosmici. Pe măsură ce aceste stele timpurii ardeau, lumina lor ultravioletă ionizantă a început să scape din galaxiile lor. Acest lucru a creat bule de hidrogen ionizat care au crescut până s-au contopit, umplând în cele din urmă cosmosul.
JWST este pregătit să răspundă la multe întrebări despre galaxiile timpurii și despre modul în care lumina lor a condus procesul de reionizare. Deocamdată, totuși, telescopul ridică mai multe întrebări decât oferă răspunsuri. Existau mult mai multe galaxii în timpurile primordiale decât credeau oamenii de știință — și aceste galaxii produceau mult mai multă lumină decât era nevoie pentru a reioniza universul.
Primele imagini publicate de telescop sunt pline de galaxii care datau la mai puțin de 600 de milioane de ani după Big Bang. Apoi, la sfârșitul lui 2022, a venit confirmarea celei mai timpurii galaxii de până acum; aceasta exista la doar 350 de milioane de ani după Big Bang. Acest record a fost ulterior doborât când astrofizicianul Brant Robertson de la UC Santa Cruz și colegii săi au anunțat o galaxie apărută la doar 290 de milioane de ani după Big Bang.
Multe dintre aceste galaxii sunt mai luminoase și mai masive decât se aștepta: în 2023, șase galaxii care datau din primele 700 de milioane de ani după Big Bang au făcut senzație datorită maturității lor aparent neașteptate. În ciuda epocii timpurii, masele lor stelare rivalizau cu cele ale Căii Lactee de astăzi, care are o masă stelară de 60 de miliarde de mase solare.
Teoria standard nu poate explica formarea stelelor în număr atât de mare, atât de devreme, astfel că aceste galaxii au fost poreclite „distrugătoarele universului” (eng. universe breakers).
„Este pur și simplu incredibil”, spune astrofizicianul Erica Nelson de la Universitatea din Colorado Boulder. „Implică un univers timpuriu fie mai haotic și exploziv decât ne-am imaginat, fie un univers în care lucrurile pot evolua mai rapid.”
Descoperirile ar putea impune o reevaluare a evoluției galaxiilor. Și ridică întrebări importante despre reionizare.
Chiar și cele mai puțin luminoase galaxii timpurii observate de JWST produc cantități mari de lumină reionizantă, de patru ori mai mult decât se așteptau cercetătorii, a descoperit astrofizicianul Hakim Atek de la Institutul de Astrofizică din Paris și colegii săi. În ciuda slăbiciunii lor, există suficiente astfel de galaxii pentru a reioniza universul aproape de unele singure.
De asemenea, JWST aduce indicii că găurile negre supermasive s-au format mult mai devreme în istoria cosmică decât se credea; emisiile de mare energie generate de acestea, pe măsură ce se hrănesc cu materia din jur, ar fi contribuit și ele la reionizare.
Cu toată această lumină, universul ar fi trebuit să fie reionizat mai devreme decât știm că s-a întâmplat, sugerează Muñoz și colegii săi într-o lucrare din 2024 intitulată „Reionization after JWST: a photon budget crisis?” („Reionizarea după JWST: o criză a bugetului de fotoni?”).
Nu este cu adevărat o criză, spune Muñoz. Cercetările existente au stabilit că reionizarea s-a încheiat la 1,1 miliarde de ani după Big Bang. Dar aparenta abundență de lumină reionizantă este un semn clar că lipsește ceva din imaginea noastră a universului timpuriu. „Nu cunoaștem toate piesele acestui puzzle”.
Căutând indicii în hidrogen
Alte proiecte de cercetare speră să urmărească reionizarea folosind telescoape radio de nouă generație pentru a vedea cât de mult hidrogen neutru a existat de-a lungul timpului în universul timpuriu.
Oamenii de știință au studiat acest hidrogen și prin alte metode. De exemplu, împrăștierea luminii de la radiația cosmică de fond oferă indicii despre cantitatea totală de reionizare de la emiterea acelei lumini, cu aproximativ 380.000 de ani după Big Bang.
Quasarii, farurile strălucitoare de radiație produse de găuri negre masive care absorb materie, oferă o altă metodă. Hidrogenul neutru absoarbe anumite lungimi de undă ale luminii de la quasari pe drumul lor spre un observator, oferind un semn al prezenței hidrogenului. Însă, pe măsură ce ne apropiem de epoci mai timpurii, quasarii devin tot mai puțini.
În această simulare a epocii reionizării, regiuni de gaz ionizat de hidrogen (albastru și translucid) se extind în timp, înlocuind regiunile de hidrogen neutru (întunecat și opac).
Credit: M. ALVAREZ, R. KAEHLER ȘI T. ABEL
Așadar, oamenii de știință vizează acum detectarea unui semnal radio din hidrogenul neutru, înainte să fie ionizat, înapoi până la zorii cosmici și chiar în epoca întunecată. Acest semnal, cunoscut sub numele de „linia de 21 cm”, a fost detectat încă din anii 1950 și este utilizat pe scară largă în astronomie, dar nu a fost observat clar din universul timpuriu.
Semnalul radio apare datorită unei tranziții cuantice în electronul hidrogenului neutru. Tranziția, care emite un pic de radiație electromagnetică la o lungime de undă de 21 de centimetri, nu are loc des. Însă, atunci când hidrogenul neutru este abundent, este posibil să fie detectat.
Și semnalul poate face mai mult decât să urmărească locația hidrogenului neutru. Acesta servește și ca un fel de termometru. Oamenii de știință îl pot folosi pentru a înțelege mai bine temperatura cosmică, incluzând indicii despre momentele în care energia este injectată în mediul intergalactic sub formă de lumină sau căldură.
Astfel de explozii de energie ar putea proveni de la primele stele și de la găurile negre care se hrănesc. Sau energia ar putea indica ceva mai exotic: interacțiuni între materia întunecată și ea însăși sau interacțiuni necunoscute între materia întunecată și materia mai familiară. Astfel de interacțiuni, notează Muñoz, ar putea încălzi sau răci mediul intergalactic. Linia de 21 cm oferă o modalitate de a explora procesele în desfășurare, inclusiv pe cele declanșate de o fizică neașteptată. „Poate oferi informații pe care altfel nu le-ai obține”.
Un telescop care caută această amprentă este cunoscut sub numele de Hydrogen Epoch of Reionization Array sau HERA. Dacă JWST este cunoscut pentru complexitatea și costul său, HERA este mai simplu. Este „realizat din țevi din PVC, plasă de sârmă și stâlpi de telefonie”, spune astrofizicianul Josh Dillon de la Universitatea din California, Berkeley.
HERA constă din 350 de antene radio răspândite pe 5% dintr-un kilometru pătrat în provincia Northern Cape din Africa de Sud. Deși telescopul în sine este low-tech, observațiile sale necesită cea mai avansată procesare a semnalelor și analiză de date disponibile. Asta pentru că semnalul, în mod inerent slab, trebuie identificat în mijlocul zgomotului radio puternic din galaxia noastră și altele.
Dillon compară detectarea semnalului de 21 cm cu ascultarea tonurilor înalte la un concert când basul este de 100.000 de ori mai puternic.
Telescopul HERA, o rețea formată din 350 de antene radio în Africa de Sud, își propune să detecteze fluctuații ale unui semnal emis de hidrogenul neutru care domina universul timpuriu.
Credit: SOUTH AFRICAN RADIO ASTRONOMY OBSERVATORY (SARAO)
HERA caută o măsurătoare statistică a fluctuațiilor spațiale în semnalul de 21 cm. Aceste fluctuații apar din variațiile distribuției hidrogenului neutru pe cer, oferind astfel indicii despre modul în care gazul, stelele și galaxiile erau aranjate. Alte echipe încearcă în schimb să efectueze o măsurătoare globală, capturând un semnal mediu de pe întregul cer. Deoarece tehnicile diferă, una ar putea verifica validitatea celeilalte.
Materia întunecată a fost deja invocată pentru a explica o detectare. În 2018, cercetătorii de la Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES) au informat despre detectarea semnalului mediu de 21 cm, corespunzător momentului în care lumina primelor stele a început să interacționeze cu hidrogenul din jur.
Semnalul detectat a fost mai puternic decât se aștepta, sugerând că hidrogenul era mai rece decât s-a prezis, ceea ce a alimentat scepticismul. Unii cercetători au sugerat că interacțiunile dintre gazul de hidrogen și materia întunecată ar putea explica această anomalie, dar o astfel de explicație ar necesita o fizică neașteptată.
„Există multe teorii fantastice”, spune cosmologul observațional Sarah Bosman de la Universitatea Heidelberg din Germania. „Trebuie să fie fantastice”, observă ea, deoarece nicio fizică convențională nu ar putea explica puterea semnalului detectat de EDGES.
Bosman recunoaște că este una dintre puținele persoane entuziasmate de această descoperire, pe care o consideră un catalizator pentru alte experimente care ar putea să o confirme sau să o infirme. „A dat un imbold serios domeniului”.
HERA și alte telescoape deschid drumul pentru proiecte precum Square Kilometer Array (SKA), care va încerca să cartografieze semnalul de 21 cm pe întregul cer. Această rețea va conecta antene radio din Africa de Sud și Australia, formând cel mai mare telescop radio construit vreodată. Deși încă în construcție, telescopul a conectat două dintre stațiile sale pentru a colecta primele date în 2024.
Instrumente mai bune, cunoștințe mai profunde
Nimeni nu știe cu adevărat ce să aștepte de la semnalul de 21 cm, notează Bosman. Ar putea necesita doar ajustări minore ale imaginii existente a evoluției cosmice sau ar putea dezvălui o nouă fizică ce ar rescrie complet înțelegerea noastră. Este pur și simplu prea devreme pentru a spune.
Totuși, Dillon afirmă că linia de 21 cm ar putea deveni „cel mai mare set de date posibil”. Obiectivul final este să se investigheze perioada de la aproximativ 100 de milioane de ani după Big Bang până la un miliard de ani după acesta. Acest interval reprezintă mai puțin de 10% din durata totală a universului, dar, pentru că universul este în expansiune continuă, acoperă aproximativ jumătate din volumul universului vizibil.
Instrumentele viitoare vor ajuta la explorarea acestei perioade timpurii. Există diverse propuneri pentru noi telescoape radio în spațiu sau chiar pe Lună, unde ar fi ferite de interferențele de pe Pământ. Cel mai vechi semnal de 21 cm ar ajunge la noi cu lungimi de undă care sunt reflectate de ionosfera Pământului, notează Anastasia Fialkov, cosmolog și astrofizician la Institutul de Astronomie din Cambridge, Anglia. Telescoapele din spațiu sau de pe Lună ar putea depăși această problemă.
Orice indicii furnizate de linia de 21 cm vor fi studiate alături de observațiile JWST despre galaxiile timpurii, precum și de observațiile succesorului său, Telescopul Spațial Nancy Grace Roman, și de viitoarele observatoare terestre, precum Telescopul Extrem de Mare European (European Extremely Large Telescope), aflat în construcție în Chile.
Studiile asupra quasarilor mai au multe de dezvăluit, notează Simcoe de la MIT, care a scris împreună cu colegii săi despre quasari în universul timpuriu în revista Annual Review of Astronomy and Astrophysics în 2023.
Quasarii sunt deosebit de utili, spune Simcoe, pentru a identifica „ultimele regiuni ale universului care încă păstrează gaz de hidrogen neutru”. În aceste zone ar trebui să se găsească cele mai tinere stele și galaxii — sau materialul care le-a dat naștere.
Aceste stele timpurii ar putea produce elemente diferite de cele pe care le vedem astăzi. Dacă lumina quasarilor dezvăluie aceste elemente într-un nor antic de gaz, ar putea fi un indiciu că am descoperit o populație străveche de stele, poate chiar primele stele.
„Aceasta ar însemna că, în sfârșit, am ajuns acolo”, spune Simcoe. „Și, de fapt, acesta este scopul: să aflăm când a apărut complexitatea în univers. Când a început universul să arate așa cum arată astăzi?”.
Nimeni nu știe când vom avea un răspuns, dar Simcoe crede că instrumentele actuale sau cele ce urmează ar putea fi capabile: „Batem la ușă”.
⇒ Citiți și: Cele cinci ere ale evoluței universului
Traducere după When everything in the universe changed publicat de Knowable Magazine.
