Odkrili svetlobo prvih zvezd v mladem vesolju

V pustinji v zahodni Avstraliji, skoraj 600 kilometrov severno od Pertha in 200 od obale, leži 3500 kvadratnih kilometrov velika ovčja farma Boolardy. Poleg ovc in članov družine Richards je tam tudi nekaj astrofizikov. Ti so pred tednom dni v reviji Nature oznanili, da so s tamkajšnjim instrumentom ugotovili, kdaj so v vesolju zasvetile prve zvezde.

Precej barvit začetek, ki bi kakšnega uradnika na zavodu za šolstvo bržkone hitro spodbudil k sklepu, da tako delovanje ne izpolnjuje pogojev, in bi mu po zgledu šolskih tekmovanj iz naravoslovnih predmetov nekaznovano ukinil financiranje. K sreči taki ljudje ne berejo tega prispevka, zato lahko brez strahu dodamo še kakšno podrobnost. Zakotna ovčja farma je seveda izbrana namenoma, saj je to središče zahodnoavstralskega tihega radijskega območja z državno zaščito. Motnje zemeljskih radijskih oddajnikov so tam manjše, obenem pa tja brez dovoljenja ne smete, še zlasti ne z vklopljenim mobilnim telefonom.

Instrument Edges, to je navzgor usmerjena radijska antena, s katero so ugotovili, kdaj so v vesolju zasvetile prve zvezde. Foto CSIRO, Avstralija

V radijski valovih so znanstveniki iskali svetlobo, ki je šla na pot, ko je bilo vesolje še mlado. Z več Nobelovimi nagradami nagrajeni uspehi kozmologije v zadnjih dveh desetletjih so pokazali, da je vesolje staro 13,8 milijarde let. Za primerjavo, to je trikrat toliko, kot sta stara Zemlja ali Sonce. Na začetku je bila snov v vesolju zelo zgoščena in vroča, s širjenjem pa se je ohlajala. Približno 380 tisoč let po začetku, ko je bilo 1100-krat manjše kot danes, se je vesolje že dovolj razredčilo in ohladilo, da je postalo prozorno, svetlobo tistega časa pa danes zaznavamo kot mikrovalovno sevanje ozadja.

Po začetku, preplavljenem s svetlobo, se je vesolje pogreznilo v temo. Gostota energije se v svetlobi namreč manjša hitreje od gostote snovi, saj je poleg širjenja prostora pomembno tudi padanje energije fotona, ki se manjša z raztegovanjem njegove valovne dolžine. V tem zgodnjem vesolju še ni bilo zvezd, gravitacija še ni imela dovolj časa, da bi rahle zgoščine, ki jih vidimo v mikrovalovnem sevanju ozadja, stisnila skupaj.

Prve zvezde

Skupina, ki jo vodita ameriška astrofizika Judd Bowman in Alan Rogers, je želela ugotoviti, kdaj so nastale prve zvezde. Te so bile drugačne od današnjih, ker v njih razen vodika, helija in nekaj malega litija ni bilo drugih kemijskih elementov, ki so nastali šele pozneje. Zato so bile izjemno masivne, svetle in kratkožive, torej jih danes ni več. Vendar je njihova ultravijolična svetloba spravila razredčen vodikov plin v okolici iz ravnovesja, tako da je izdatno vpijal svetlobo z valovno dolžino 21 centimetrov. Danes so astrofiziki primanjkljaj svetlobe opazili pri valovni dolžini 462 centimetrov, torej je imelo vesolje ob nastanku prvih zvezd dvaindvajsetino današnje velikosti. Račun pokaže, da je bilo tedaj staro 170 milijonov let.

Po kratkem, nekaj milijonov let trajajočem življenju, so te prve zvezde eksplodirale in okolico obogatile z v njih nastalimi kemijskimi elementi, njihove sredice pa so končale kot črne luknje. Padanje okoliške snovi proti črnim luknjam je rodilo obilo rentgenske svetlobe, ki je vodikov plin segrela v vročo plazmo. V tem stanju ga najdemo še danes. Od prejšnjega tedna vemo, da se je to zgodilo 260 milijonov let po začetku vesolja, saj plazma ne vpija svetlobe z valovno dolžino 21 centimetrov.

Časovna umestitev prvih zvezd je pomembna za poznejši nastanek prvih galaksij in skupin galaksij, kar raziskovalno zanima tudi Dunjo Fabjan z ljubljanske fakultete za matematiko in fiziko ter Vida Iršiča, Uroša Seljaka in Anžeta Slosarja, ki so raziskovalci v ZDA. Že druga generacija zvezd je bila drugačna, prisotnost elementov, težjih od litija, je omogočila nastanek mnogo bolj dolgoživih zvezd z majhno maso. Eno takih zvezd druge generacije, ki še vedno sveti in vsebuje manj kot milijoninko Sončevega deleža železa, je leta 2014, na razdalji 6000 svetlobnih let od Zemlje, odkril avstralski astronom Stefan Keller.

Presenečenje temne snovi

Ameriški astrofiziki so vpijanje svetlobe v vodikovem plinu, ki ga obsevajo prve zvezde, odkrili z miniaturnim instrumentom. V osnovi je to dva metra velika kovinska plošča, ki deluje kot radijski dipolni sprejemnik. So pa zato merili več let in zelo natančno preverili, da primanjkljaj radijske svetlobe ni posledica česa drugega. Do tod je bilo vse pazljivo načrtovano, kot je v znanosti v navadi. Potem pa presenečenje. Signal je bil namreč dvakrat močnejši, kot so ga lahko pričakovali po kakršnemkoli razumnem scenariju. To pomeni, da je bil vpijajoči vodikov plin hladnejši od pričakovanj.

Ameriški astrofiziki so vpijanje svetlobe v vodikovem plinu, ki ga obsevajo prve zvezde, odkrili z miniaturnim instrumentom, dva metra veliko kovinsko ploščo, ki deluje kot radijski dipolni sprejemnik. Foto CSIRO, Avstralija

Kot v ločenem članku v reviji Nature razlaga izraelski astrofizik Rennan Barkana, je bil vodikov plin v stiku s čim hladnejšim. In taka hladnejša snov v zgodnjem vesolju je temna snov. Ker ta ne sodeluje s svetlobo, se je temna snov v mladem vesolju začela ohlajati hitreje od običajne snovi. Razlaga je presenetljiva, saj lahko govorimo o stiku le, če običajna in temna snov sodelujeta tudi še kako drugače kot z gravitacijo. Posledično se izkaže, da delec temne snovi ne bi smel biti dosti masivnejši od atomskih jeder. Če bo ta razlaga potrjena, je bilo dolgoletno iskanje masivnih delcev temne snovi zaman, saj takih delcev ni.

Temna snov je še vedno tu, torej jo lahko raziskujemo tudi v naši okolici. Misija Gaia Evropske vesoljske agencije bo 25. aprila javno objavila katalog natančnih položajev in gibanja poldruge milijarde zvezd naše galaksije. Skupaj z rezultati v Avstraliji potekajočega spektroskopskega pregleda neba GALAH bomo lahko raziskali, kako na zvezde vpliva okoliška temna snov, in s tem izvedeli o njenih lastnostih. Morda torej prihaja čas, ko bo Nobelov odbor lahko nagradil kolege, ki so obstoj temne snovi pred štirimi desetletji utemeljili.