2015.02.10. - Százmillió évvel később születhettek az első csillagok

A Planck-űrszonda most nyilvánosságra hozott új CMB-térképein 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.

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.