Do svetlobe prvih zvezd

V raziskavi, v kateri je sodelovala tudi članica centra za astrofiziko in kozmologijo Univerze v Novi Gorici, so znanstveniki s pomočjo podatkov Nasinega teleskopa Fermi in sevanja gama izmerili celotno količino svetlobe, ki so jo v zadnjih 12 milijardah let zgodovine vesolja proizvedle zvezde. Z novim odkritjem lahko sledimo hitrosti nastajanja zvezd vse nazaj do temnega veka, ko so začele nastajati prve zvezde. Nova odkritja o zvezdni svetlobi so bila objavljena v reviji Science 30. novembra.

Vesolje je danes polno zvezd in galaksij, a vedno ni bilo tako. V daljni preteklosti je bilo vesolje temno. To obdobje, ki mu pravimo temni vek, se je končalo z rojstvom prvih zvezd. In vse odtlej v njem nastajajo nove in nove zvezde. A stopimo korak nazaj in se spomnimo kratke zgodovine nastanka našega vesolja. Nastalo je z velikim pokom ali prapokom. Iz začetnega stanja z ekstremno visoko energijo se je začelo širiti, s tem pa tudi ohlajati. V prvih trenutkih po velikem poku so bile temperature v vesolju tako visoke, da atomi in molekule še niso mogli obstajati. Vesolje je bilo kot nekakšna »juha« delcev in fotonov (delcev svetlobe), ki so med seboj ves čas interagirali. Ko se je vesolje z nadaljnjim širjenjem dovolj ohladilo, so se nukleoni in elektroni povezali v nevtralne atome lahkih elementov: vodika, devterija, helija in litija. S tem ko je snov postala električno nevtralna, fotoni niso več interagirali z njo – pravimo, da so se »ločili« od snovi, pri tem pa napolnili vesolje s svetlobo, katere sledi lahko opazujemo še danes. Pravimo ji mikrovalovno sevanje ozadja ali prasevanje in je nastala v zgodnjem vesolju, ko je bilo to staro šele 380.000 let.



Po ločitvi fotonov od snovi je temperatura vesolja zaradi širjenja še naprej padala. Vesolje je bilo temno, zato temu obdobju v razvoju vesolja pravimo kozmološki temni vek.

A medtem ko se je vesolje še naprej širilo in ohlajalo, so se v snovi začeli dogajati drugi zanimivi procesi. Vesolje ob nastanku namreč ni imelo povsod popolnoma enake gostote. Ponekod je bila gostota snovi nekoliko večja, drugod pa nekoliko manjša. Razlike v gostoti so izvirale iz kvantnih fluktuacij, ki so bile prisotne že med velikim pokom. Gostejša območja v vesolju so s svojo gravitacijsko silo privlačila vse več snovi in iz njih so sčasoma nastali še večji in gostejši skupki snovi, iz katerih so se oblikovale prve zvezde.


 

Zvezde in mi

»Naš planet, naša družba in mi sami smo zgrajeni iz zvezdne snovi.« – Carl Sagan

Preden so začele nastajati zvezde, je v vesolju obstajalo le nekaj lažjih kemijskih elementov. Razen vodika in helija so bili drugi prisotni le v sledovih. Pred približno 13 milijardami let pa so z rojstvom prvih zvezd pričele potekati jedrske reakcije, v katerih so nastajati tudi višji elementi. V sredicah zvezd so se sprva zlivala vodikova jedra v helijeva, v kasnejših stopnjah razvoja pa tudi helijeva jedra v ogljikova, kisikova in še višje po periodnem sistemu.

V masivnih zvezdah, to je tistih, ki imajo maso večjo od osmih mas Sonca, je gravitacijska sila tako močna, da lahko postopoma stiska sredico do vse višjih gostot in temperatur, pri katerih se lahko zlivajo vedno težja jedra vse do železovih. Ko pridejo do te stopnje, masivne zvezde končajo svoje življenje z eksplozijo supernove, pri čemer odpihnejo v okolico svojo ovojnico in z njo tudi elemente, nastale v njih. Od sredice zvezde ostane črna luknja ali nevtronska zvezda, plinska ovojnica pa se po eksploziji počasi ohladi in združi z oblaki plina v okolici.



Ob eksploziji supernove nastanejo v jedrskih reakcijah kemijski elementi, ki so težji od železa. Pomemben vir teh elementov pa so tudi zlitja dveh nevtronskih zvezd – dveh ostankov supernov. V obeh primerih eksplozija razmeče nastale elemente po okolici in z njimi obogati medzvezdno snov. Tam se »reciklirajo« – iz tako obogatenih oblakov medzvezdnega plina nastanejo nove zvezde, planeti in navsezadnje tudi ljudje.

Na kratko, mi in vse okoli nas, vsa narava in vse stvari, ki jih je naredil človek, so sestavljene iz atomov, ki so jih skozi dolgo zgodovino vesolja proizvedle zvezde.

»Živimo, ker so zvezde umrle.« – Peter Tyson (NOVA/PBS)
 

Zvezdna svetloba

Poleg tega, da zvezde ustvarjajo težje elemente, imajo še eno pomembno lastnost: svetloba, ki jo oddajajo, močno spreminja vesolje.

Prve zvezde v vesolju so svetile pri različnih valovnih dolžinah svetlobe, največ pa so je oddale pri ultravijoličnih valovnih dolžinah. Svetlobo prvih zvezd bi načeloma lahko opazovali s teleskopi, saj se zaradi širjenja vesolja valovna dolžina oddane svetlobe podaljša ter se premakne v območje vidne in infrardeče svetlobe, ki ju lahko opazujemo s teleskopi na površju Zemlje in v vesolju (slika 1). A ko so prve zvezde začele oddajati svetlobo, je bilo vesolje še vedno polno nevtralnega vodika. Nevtralni vodik je absorbiral ultravijolično svetlobo prvih zvezd in jih s tem »zakril« pred našimi teleskopi. Vesolje je bilo torej za naše teleskope temno med samim temnim vekom in še nekaj časa po njem.



A sčasoma so ultravijolični fotoni, ki so jih oddajale prve zvezde, razbili nevtralne vodikove atome na proste elektrone in protone. Vodik je postal »ioniziran« – prosti protoni ultravijolične svetlobe niso več mogli absorbirati, zato so lahko fotoni prosto potovali skozi snov. Temu obdobju vesolja pravimo reionizacija in označuje čas, ko se je »megla razkadila« in je vesolje postalo prozorno za naše teleskope. S tem se je končal temni vek in se je razkrilo vesolje, ki je bilo že bolj ali manj podobno vesolju, kot ga vidimo danes.

Od obdobja reionizacije naprej so v galaksijah še naprej nastajale nove zvezde, ki so polnile vesolje s svojo svetlobo (ki je imela valovne dolžine od ultravijoličnih do infrardečih, slika 1). Zvezdna svetloba, ki je pobegnila iz galaksij, je postala del zunajgalaktične svetlobe ozadja (angl. extragalactic background light – EBL). To svetlobo ozadja sestavlja svetloba, ki so jo oddali vsi izvori svetlobe skozi vso zgodovino vesolja.

Naše razumevanje vesolja, kakršno je danes, temelji večinoma na našem razumevanju razvoja zvezd in galaksij v preteklosti. Ta razvoj med drugim proučujemo tako, da merimo spreminjanje zunajgalaktične svetlobe ozadja skozi zgodovino vesolja. S proučevanjem svetlobe ozadja skušamo znanstveniki odgovoriti na nekatera temeljna vprašanja: Kako točno so začele nastajati zvezde in ali obstaja obdobje, ko je bila stopnja nastajanja zvezd in s tem težjih elementov največja? Ali lahko z nastankom in razvojem zvezd razložimo obstoj vseh elementov, ki so nastali od velikega poka do danes? Kaj točno se dogaja pri reionizaciji in kateri izvori svetlobe so odgovorni zanjo?



Z vse boljšimi teleskopi lahko astronomi raziskujemo vesolje do vse večjih razdalj. Ker svetloba potrebuje določen čas, da doseže naše teleskope, s tem tudi gledamo vse dlje nazaj v preteklost. Tako lahko opazujemo vesolje v različnih obdobjih med temnim vekom in sedanjostjo. Na primer: posnetki vesoljskega teleskopa Hubble v ultravijolični svetlobi in vesoljskega teleskopa Spitzer v infrardeči svetlobi skupaj s teleskopi na površju Zemlje, ki delujejo v vidni svetlobi, so omogočili odkritja galaksij, nastalih pred 13 milijardami let. Nekatere naj bi nastale celo pred 13,4 milijarde leti, ko je bilo vesolje staro le 3 odstotke svoje današnje starosti.

Vendar pa je proučevanje vse zvezdne svetlobe z opazovanjem galaksij zelo zahtevno, saj tudi najmočnejši teleskopi ne morejo zaznati prav vseh galaksij v vesolju. Težava je še posebej izrazita pri opazovanju zgodnjega vesolja v prvih nekaj milijardah let po velikem poku, ko je obstajalo ogromno število šibkih, še neodkritih galaksij.
 

Nove meritve zvezdne svetlobe

In tukaj nastopi satelit Fermi. Nasin vesoljski teleskop raziskuje vesolje v valovnih dolžinah gama svetlobe. Pri njegovih raziskavah na področjih astrofizike in fizike delcev sodelujejo institucije iz ZDA, Francije, Nemčije, Italije, Japonske in Švedske. V kolaboraciji Fermi LAT sodelujejo tudi raziskovalci centra za astrofiziko in kozmologijo Univerze v Novi Gorici.

Teleskop Fermi s pomočjo gama svetlobe, ki ima od vseh vrst svetlobe najvišjo energijo (slika 1), odkriva in raziskuje visokoenergijske procese v vesolju. V desetih letih delovanja je zaznal več prelomnih odkritij v visokoenergijski astrofiziki.

Med pomembnejša odkritja satelita spadajo opazovanja skoraj dva tisoč blazarjev (pred začetkom misije Fermi je bilo znanih le okoli dvesto takšnih objektov). Blazarji so aktivne galaksije z orjaško črno luknjo v središču. Iz bližine črne luknje izhajata dva nasprotno usmerjena curka visokoenergijskih delcev, eden od njiju pa je usmerjen proti Zemlji. Blazarji, ki jih je opazoval satelit Fermi, so porazdeljeni enakomerno po nebu in pokrivajo širok razpon razdalj. Te razdalje ustrezajo časom potovanja svetlobe od blazarjev do nas med 200 milijoni in 11,6 milijarde let, torej lahko z njimi gledamo zelo daleč nazaj v preteklost vesolja. Na sliki 2 so z zelenimi križci prikazani vsi blazarji, uporabljeni za analizo podatkov.

Kako nam lahko visokoenergijska gama svetloba iz blazarjev pove nekaj o zvezdni svetlobi, ki ima veliko nižje energije? Ko delec oziroma foton visokoenergijske gama svetlobe na poti skozi vesolje trči v foton zunajgalaktične svetlobe ozadja oziroma zvezdne svetlobe, je ob trku na voljo dovolj energije, da lahko po slavni Einsteinovi enačbi E = mc2 nastane par delca (elektrona) in antidelca (pozitrona). Posledica nastanka delcev snovi je, da je sevanje gama, ki prihaja iz oddaljenih teles v vesolju, videti šibkejše, podobno kot megla oslabi soj avtomobilskih žarometov.
 

Potrditev opazovanj s Hubbla

Znanstveniki kolaboracije Fermi LAT smo proučili svetlobo 739 blazarjev, za katere natančno poznamo razdaljo od Zemlje. Izmerili smo količino zunajgalaktične svetlobe ozadja, ki je oslabila svetlobo blazarjev na poti do nas. S tem smo lahko izračunali, kako se je zunajgalaktična svetloba ozadja spreminjala s časom skozi zgodovino vesolja, in razkrili, da je bil vrhunec nastajanja zvezd pred približno 10 milijardami let.



Te meritve so omogočile pomembno in neodvisno potrditev prejšnjih ocen stopnje nastajanja zvezd, ki so temeljile na opazovanju velikega števila posameznih oddaljenih galaksij s teleskopom Hubble. Ko strokovnjaki z dvema popolnoma neodvisnima metodama dobijo enake rezultate, to običajno pomeni, da raziskujejo v pravi smeri. V tem primeru smo izmerili spreminjanje stopnje rojevanja zvezd skozi zgodovino vesolja le z opazovanjem gama svetlobe, torej brez neposrednega opazovanja samih zvezd.

Z novimi rezultati pa smo dobili tudi prve namige za odgovor na vprašanje, kateri izvori svetlobe so oziroma niso bili pomembni pri reionizaciji vesolja. Ena od predlaganih možnosti je veliko število ultrašibkih galaksij, ki naj bi oddale zadostno količino ultravijoličnih fotonov, potrebnih za reionizacijo. Zgornja meja izmerjenega ultravijoličnega sevanja v zgodnjem vesolju, ki smo jo postavili z novimi meritvami, pa kaže, da je bilo v zgodnjem vesolju manj šibkih galaksij, kot jih predlagajo nekateri modeli nastanka in razvoja vesolja.

Nove meritve so pomembne tudi za usmerjanje prihodnjih raziskav z vesoljskim teleskopom James Webb, ki bo v Zemljino orbito izstreljen predvidoma leta 2021. Med Webbovimi glavnimi cilji je razkriti, kaj se je dogajalo v prvi milijardi let po velikem poku, ko so se rojevale prve zvezde. Meritve z instrumentom Fermi LAT nam namreč povedo, kolikšna je količina zvezdne svetlobe, ki jo lahko pričakujemo v prvi milijardi let obstoja vesolja.

–––

Članek je prevedla mlada raziskovalka Katja Bricman z novogoriške univerze. Dr. Gabrijela Zaharijas je članica kolaboracije Fermi LAT. Njene raziskave je sofinancirala javna agencija za raziskovalno dejavnost prek raziskovalnega programa P1-0031, infrastrukturnega programa I0-0033 in raziskovalnega projekta J1-8136. Naslednje delovno srečanje kolaboracije Fermi LAT bo organizirala Univerza v Novi Gorici od 12. do 15. marca 2019 na Bledu. Ob tem dogodku boste lahko o tem in drugih pomembnih astrofizikalnih rezultatih kolaboracije Fermi LAT slišali na javnem poljudnem predavanju, ki bo v Lanthierijevem dvorcu v Vipavi.