Înțelegerea Reionizării Cosmice: Cum Primele Stele au Modelat Universul

În milioane de ani care au urmat Big Bang-ului, după ce supa de particule a universului s-a răcit, cosmosul era un loc întunecat și plictisitor. Nu existau stele care să facă lumină, nici vârtejuri de galaxii, nici planete. Întregul univers era învăluit în gaz hidrogen neutru. Apoi, poate la aproximativ 100 de milioane de ani după aceea, totul a început să se schimbe. În miliardele de ani care au urmat, universul a trecut de la un peisaj anodin și neimpresionant la unul bogat și dinamic. Această schimbare profundă a început când s-au aprins primele stele. Pe măsură ce ardeau, generând căldură și creând materie nouă, lumina lor intensă a început să sfâșie hidrogenul care impregna universul. Peste tot, electronii au fost smulși din acești atomi, lăsând cea mai mare parte a hidrogenului – cel mai abundent element din univers – în starea ionizată în care se află și astăzi.

Big Bang-ul a creat o supă fierbinte și ionizată de particule subatomice. Sute de mii de ani mai târziu, într-un fenomen cunoscut sub numele de recombinare, s-au format atomi neutri. A urmat perioada cunoscută sub numele de Epoca Întunecată; universul era impregnat cu gaz hidrogen neutru. Dar când primele stele s-au aprins, la un moment dat după mai bine de 100 de milioane de ani după Big Bang, au smuls electroni din hidrogen, reionizând treptat cosmosul. NAOJ Această perioadă crucială, în care tot acest hidrogen a trecut dintr-o formă în alta, este cunoscută sub numele de epoca reionizării. A început cu zorii noștri cosmici și a dat naștere erei moderne cu toate texturile și caracteristicile sale minunate. Servește drept fundal pentru momentul în care universul a crescut.

«Este ultima mare schimbare care are loc în universul nostru», afirmă astrofizicianul teoretic Julián Muñoz, de la Universitatea Texas din Austin (SUA). Totul s-a schimbat în acei un miliard de ani și nu s-a schimbat prea mult în miliardele de ani care au urmat.

Deși există modele care descriu modul în care ar fi putut avea loc această mare tranziție, încă există lacune majore. Când s-au format primele stele și când lumina care scăpa din galaxiile care le găzduiau a declanșat reionizarea? Ce tip de galaxii au fost cele mai responsabile pentru acest lucru și ce rol au jucat găurile negre? Cum a avut loc reionizarea în timp și spațiu? Ce indicii poate oferi altor mistere cosmice, cum ar fi 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 arunce o privire în profunzimile primului miliard de ani al universului. Telescopul spațial James Webb (JWST), care a fost lansat în 2021, observă galaxiile care existau la doar sute de milioane de ani după Big Bang și deja oferă surprize. În același timp, radiotelescoapele de nouă generație se concentrează nu pe galaxii, ci pe hidrogenul neutru care a invadat odată tot spațiul. Acel hidrogen oferă indicii despre modul în care s-a dezvoltat epoca reionizării și alte caracteristici ale cosmosului.

«Instrumentele pe care le putem folosi acum pentru a studia această epocă din istoria cosmică nu se aseamănă cu nimic din ce am avut înainte», afirmă astrofizicianul Rob Simcoe, de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT).

Lumină din abundență

Înțelegerea noastră actuală a dezvoltării universului timpuriu este mai mult sau mai puțin astfel: după Big Bang, acum 13,8 miliarde de ani, cosmosul s-a extins și supa primordială de particule subatomice s-a răcit. În prima secundă s-au format protoni și neutroni. În primele minute, s-au unit în nuclee atomice. Aproximativ 380.000 de ani mai târziu, acele nuclee au început să captureze electroni pentru a forma primii atomi. Această piatră de hotar, în care supa ionizată s-a transformat în atomi neutri, este cunoscută sub numele de recombinare (un termen greșit, deoarece nucleele și electronii nu s-au combinat niciodată înainte).

Până când au fost capturați în atomi, electronii liberi împrăștiau lumina ca o ceață densă în farurile unei mașini. Dar, cu electronii controlați, fotonii puteau fi împușcați prin cosmos. Astăzi, acele particule de lumină ajung până la noi sub forma unei străluciri slabe cunoscută sub numele de fond cosmic de microunde.

Atunci universul a intrat în ceea ce este cunoscut sub numele de Epoca Întunecată. Cu hidrogen și ceva heliu în cosmos, nu era nimic care să poată produce lumină. Cu toate acestea, bule de materie întunecată s-au dedicat atragerii gazului înconjurător, iar o parte din el s-a condensat suficient pentru a declanșa fuziunea nucleară. La o sută de milioane de ani sau mai mult după Big Bang, primele stele s-au aprins la zorii noștri cosmici. Pe măsură ce aceste prime stele 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 fuzionat, umplând în cele din urmă cosmosul.

JWST este pregătit să răspundă la multe întrebări despre primele galaxii și despre modul în care lumina lor a impulsionat procesul de reionizare. Deocamdată, însă, telescopul aruncă mai multe întrebări decât răspunsuri. În vremurile de început, existau mult mai multe galaxii decât credeau oamenii de știință, iar aceste galaxii produceau mult mai multă lumină decât era necesar pentru a reioniza universul.

Primele imagini publicate de telescop au fost pline de galaxii datând de la mai puțin de 600 de milioane de ani după Big Bang. Apoi, la sfârșitul anului 2022, a venit confirmarea celei mai vechi galaxii de până acum: a existat la doar 350 de milioane de ani după Big Bang. Acest record a fost depășit de astrofizicianul Brant Robertson, de la Universitatea California din Santa Cruz, și de colegii săi, când au anunțat existența unei galaxii care datează de la 290 de milioane de ani după Big Bang.

Multe dintre aceste galaxii sunt mai strălucitoare și mai masive decât se aștepta: în 2023, șase galaxii care datează de la 700 de milioane de ani după Big Bang au fost știri din cauza cât de mature păreau deja. În ciuda perioadei lor timpurii, masele lor stelare rivalizează cu cele ale Căii Lactee actuale, care are 60.000 de milioane de mase solare de stele.

Teoria standard nu poate explica atât de multă formare stelară atât de curând, așa că aceste galaxii au fost poreclite „spărgătoarele universului”. «Este o nebunie totală», afirmă astrofizicianul Erica Nelson, de la Universitatea Colorado din Boulder și coautor al studiului. «Implică un univers timpuriu care, fie este mai haotic și cu mai multe izbucniri decât credeam, fie un univers în care lucrurile pot evolua mai repede».

Galaxia din această imagine a telescopului spațial James Webb, botezată JADES-GS-z14-0, a doborât recordul pentru cea mai îndepărtată galaxie cunoscută. Datează de la 290 de milioane de ani după Big Bang. NASA, ESA, CSA, STSCI, B. ROBERTSON (UC SANTA CRUZ), B. JOHNSON (CFA), S. TACCHELLA (CAMBRIDGE), P. CARGILE (CFA) Descoperirile ar putea obliga la reexaminarea evoluției galaxiilor. Și ridică întrebări mari despre reionizare. Chiar și cele mai slabe galaxii primitive detectate de JWST produc o cantitate mare de lumină reionizantă, de patru ori mai mult decât se aștepta, au descoperit astrofizicianul Hakim Atek, de la Institutul de Astrofizică din Paris, și colegii săi. În ciuda luminozității lor scăzute, există suficiente dintre aceste galaxii pentru a reioniza universul aproape de unele singure.

Și JWST descoperă, de asemenea, indicii că găurile negre supermasive s-au format mult mai devreme decât se credea în istoria cosmică; emisiile de înaltă energie pe care le generează atunci când se hrănesc cu materia înconjurătoare ar fi contribuit, de asemenea, la reionizare.

Cu toată această lumină, universul ar fi trebuit să se reionizeze mai devreme decât știm, sugerează Muñoz și colegii săi într-un articol din 2024 intitulat Reionizare după JWST: o criză de buget de fotoni?

În realitate, nu este o criză, spune Muñoz. Cercetările existente au stabilit că reionizarea s-a încheiat la 1,1 miliarde de ani după Big Bang. Dar supraabundența aparentă de lumină reionizantă este un semn clar că lipsește ceva din imaginea noastră despre universul timpuriu. «Nu cunoaștem toate piesele puzzle-ului», spune el.

Căutarea de indicii în hidrogen

Alte eforturi speră să urmărească reionizarea folosind radiotelescoape de ultimă generație pentru a vedea cât de mult hidrogen neutru a existat de-a lungul timpului în universul timpuriu. Oamenii de știință au sondat acest hidrogen în alte moduri. Împrăștierea luminii de fond cosmic de microunde, de exemplu, oferă indicii despre cantitatea totală de reionizare de când a fost emisă acea lumină, la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang.

Quasarii, farurile strălucitoare de radiație produse de găurile negre masive care se hrănesc, oferă o altă indicație. Hidrogenul neutru absoarbe lungimi de undă specifice ale luminii de la quasari pe drumul lor către un observator, oferind un semnal al prezenței hidrogenului. Dar, pe măsură ce ne apropiem de epocile mai timpurii, există mai puțini quasari.

Așa că oamenii de știință intenționează acum să detecteze un semnal radio provenit de la hidrogenul neutru însuși, înainte de a fi ionizat, mergând înapoi până la zorii cosmici și chiar până la epocile întunecate. Acest semnal, cunoscut sub numele de linia de 21 de centimetri, este detectat din anii cincizeci și este utilizat pe scară largă în astronomie, dar nu a fost localizat definitiv 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 se întâmplă des. Dar când hidrogenul neutru este abundent, este posibil să-l detectăm.

Și semnalul poate face mai mult decât să urmărească locul unde se află hidrogenul neutru. De asemenea, servește ca un fel de termometru. Oamenii de știință îl pot folosi pentru a înțelege mai bine temperatura cosmică, inclusiv indicii despre când energia este injectată în mediul intergalactic sub formă de lumină sau căldură.

Aceste explozii de energie ar putea proveni de la primele stele și de la găurile negre care le alimentează. 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 sonda procesele în joc, inclusiv cele stimulate de o fizică neașteptată. «Poate oferi informații pe care altfel nu le-ați obține», afirmă el.

Un telescop care caută această amprentă este Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA). Dacă JWST este cunoscut pentru complexitatea și costul său, HERA este mai simplu. Este «fabricat din tuburi PVC, plasă metalică și stâlpi de telefon», explică astrofizicianul Josh Dillon, de la Universitatea California din Berkeley.

HERA este format dintr-un număr de 350 de antene radio răspândite pe 5% dintr-un kilometru pătrat din provincia sud-africană Capul de Nord. Deși telescopul în sine este de joasă tehnologie, observațiile sale necesită cea mai avansată procesare a semnalelor și analiză a datelor disponibilă. Asta pentru că semnalul, slab din fire, trebuie detectat în mijlocul zgomotului radioelectric al galaxiei noastre și al altora.

Dillon compară detectarea semnalului de 21 de centimetri cu ascultarea sunetelor înalte într-un concert când basul este de 100.000 de ori mai puternic. «De aceea nu s-a făcut încă», afirmă el.

Telescopul HERA, un set de 350 de antene radio situate în Africa de Sud, își propune să detecteze fluctuații într-un semnal provenit de la hidrogenul neutru care impregna universul timpuriu. OBSERVATORUL RADIOASTRONOMIC SUDAFRICAN (SARAO) HERA caută o măsură statistică a fluctuațiilor spațiale ale semnalului de 21 de centimetri. Aceste fluctuații se datorează variațiilor în distribuția hidrogenului neutru în cosmos și, prin urmare, oferă o idee despre modul în care sunt distribuite gazul, stelele și galaxiile. Alte echipe, pe de altă parte, își propun să efectueze o măsurare globală care să surprindă un semnal mediu în întregul cosmos. Având în vedere că tehnicile diferă, una ar putea ajuta la verificarea celeilalte.

Materia întunecată a fost deja invocată pentru a explica o presupusă detecție. În 2018, cercetătorii de la Experimentul pentru Detectarea Semnăturii Epocii Globale de Reionizare, sau EDGES, au raportat detectarea semnalului mediu de 21 de centimetri care corespunde momentului în care lumina primelor stele a început să interacționeze cu hidrogenul înconjurător.

Semnalul este mai intens decât se aștepta, ceea ce sugerează un gaz hidrogen mai rece decât se preconiza, ceea ce a alimentat un mare scepticism în jurul afirmației. Unii cercetători au indicat interacțiunile dintre gazul hidrogen și materia întunecată ca o posibilă explicație, dar o astfel de explicație ar necesita o fizică neașteptată.

«Există multe teorii fanteziste», afirmă cosmologul observațional Sarah Bosman, de la Universitatea din Heidelberg, în Germania. «Trebuie să fie fanteziste», notează ea, deoarece nicio fizică obișnuită nu ar da forța pe care a văzut-o EDGES.

Bosman recunoaște că este una dintre puținele persoane entuziaste de afirmație, care, potrivit acesteia, a motivat cercetătorii care lucrează la alte experimente care ar putea să o confirme sau să o infirme. «A dat un mare impuls acestui domeniu», afirmă ea.

HERA și alte telescoape sunt precursorii Square Kilometer Array, care va încerca să cartografieze semnalul de 21 de centimetri pe tot cerul. Acest set va conecta antene radio din Africa de Sud și Australia în cel mai mare radiotelescop construit vreodată. Deși este încă în construcție, telescopul a conectat două dintre stațiile sale pentru a lua primele date în 2024.

Instrumente mai bune, cunoștințe mai profunde

Nimeni nu știe cu adevărat la ce să se aștepte de la semnalul de 21 de centimetri, notează Bosman. Ar putea necesita doar mici ajustări ale imaginii existente a evoluției cosmice sau ar putea descoperi o nouă fizică care să rescrie complet înțelegerea noastră. Este prea devreme pentru a ști.

Dar Dillon spune că linia de 21 de centimetri ar putea oferi într-o zi «cel mai mare set de date posibil». Obiectivul final este de a sonda intervalul de timp care merge de la aproximativ 100 de milioane de ani după Big Bang până la un miliard de ani după aceea. Această perioadă reprezintă mai puțin de 10% din viața totală a universului, dar, datorită expansiunii continue a universului, intervalul de timp cuprinde aproximativ jumătate din volumul universului vizibil.

Instrumentele viitoare vor ajuta la ajungerea până la trecut. Există mai multe propuneri pentru noi radiotelescoape în spațiu și chiar pe Lună, unde ar fi ferite de interferențele terestre. Cel mai vechi semnal de 21 de centimetri ar ajunge la noi în lungimi de undă care se reflectă în ionosfera terestră, notează Anastasia Fialkov, cosmolog și astrofizician la Institutul de Astronomie din Cambridge, în Anglia. Telescoapele spațiale sau lunare ar putea evita această problemă.

Orice indiciu de 21 de centimetri ar fi studiat împreună cu observațiile JWST ale primelor galaxii, precum și cu observațiile succesorului său, Telescopul Spațial Nancy Grace Roman, și viitoare observatoare terestre, cum ar fi Telescopul Extrem de Mare, o inițiativă europeană aflată în construcție în Chile.

Articol tradus de Debbie Ponchner. Acest articol a apărut inițial în Knowable în spaniolă, o publicație non-profit dedicată punerii cunoștințelor științifice la îndemâna tuturor.