Przejdź do treści

Rejonizacja miała miejsce później niż sądzono

Era rejonizacji zaczęła się dużo później niż dotychczas zakładano. Dowodzą tego badania mikrofalowego promieniowania tła w oparciu o dane z satelity Planck, które jako głównych sprawców rejonizacji wskazują pierwsze gwiazdy.

Rozproszony, neutralny wodór obecny w pierwotnym Wszechświecie został w pewnym momencie zjonizowany (inaczej mówiąc: rozdzielony na naładowane jony – protony i elektrony). Najnowsze dane dowodzą jednak, że era rejonizacji zaczęła się około 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu, podczas gdy poprzednie szacunki wskazywały raczej na czas rzędu 450 milionów lat po nim.

Kosmos rozszerza się nieprzerwanie. Gdy liczył sobie 380 tysięcy lat (około 13,7 miliarda lat temu), był już na tyle duży i chłodny, by większość obecnych w nim elektronów i protonów mogła związać się w obojętne pod względem ładunku elektrycznego atomy wodoru - najprostszego z możliwych pierwiastków. Od tego momentu fotony mogły bez przeszkód poruszać się po młodym Wszechświecie, bowiem nie były już rozpraszane na powszechnych dotychczas, naładowanych jonach. „Uwolnione” w tym czasie fotony widzimy dziś jako dobiegające do nas ze wszystkich możliwych kierunków promieniowanie reliktowe (kosmiczne promieniowanie tła).

Dzięki precyzyjnym badaniom promieniowania tła wiemy, że na pewnym etapie swego istnienia Kosmos został ponownie zjonizowany - część obecnego w nim wodoru rodzieliła się na protony i elektrony pod wpływem promieniowania. Trudno jest jednak określić, kiedy dokładnie to nastąpiło. Zjonizowany Wszechświat nie był wystarczająco nieprzezroczysty, by zatrzymać fotony promieniowania tła w ich wędrówce, ale był już w stanie do pewnego stopnia je spolaryzować. Obserwowane dziś promieniowanie tła ma wciąż w sobie ten charakterystyczny ślad po epoce rejonizacji - jego fotony rozpraszają się na wolnych elektronach, gdy więc podróżują przez ośrodek przynajmniej częściowo zjonizowany, ich energia spada, a obserwowane promieniowanie staje się słabsze. Naukowcy są dziś w stanie zmierzyć wielkość takiego tłumienia, a na jej podstawie oszacować odległość, jaką fotony miały w zjonizowanym ośrodku do przebycia nim do nas dotarły. A stąd już tylko krok do wyliczenia, kiedy jonizacja miała miejsce.

Aby jednak dobrze wyznaczyć te parametry, potrzeba bardzo precyzyjnych instrumentów. Jednym z takich urządzeń jest satelita Planck i jego wysokoczęstotliwościowa aparatura HFI. Dzięki niemu naukowcy doszli do wniosku, że era rejonizacji była bardzo gwałtownym procesem i rozpoczęła się dość późno w historii Wszechświata, gdy liczył on sobie około 700 milionów lat. To duża zmiana w stosunku do wcześniejszych oszacowań, przeprowadzonych na bazie obserwacji wykonanych przez sondę WMAP i wskazujących na wiek rzędu 450 milionów lat.

Warto dodać, że Planck miał dużo wyższą zdolność rozdzielczą sygnału w stosunku do WMAP-a i reszty swych poprzedników. To wyjątkowo udana misja kosmiczna - dane z Plancka są nadal wykorzystywane przez astronomów i fizyków, choć sama sonda została wyłączona w październiku 2013 roku. Była zresztą eksploatowana dwa razy dłużej niż planowano i zdołała wykonać osiem pełnych przeglądów nieba zamiast początkowo zakładanych dwóch. Na pokładzie satelity znajdywały się dwa instrumenty naukowe mające za zadanie wykonanie przeglądów (map nieba) w dziewięciu zakresach częstotliwości mikrofalowych: Low Frequency Instrument LFI (obserwacje natężenia i polaryzacji promieniowania w zakresie 27 GHz - 77 GHz) i High Frequency Instrument HFI (zakres od 84 GHz do 1 THz).

Co jednak oznacza przesunięcie w czasie ery jonizacji? Usuwa to wcześniejsze ograniczenia na czynniki jonizujące Kosmos. Pierwsza generacja gwiazd, jakie narodziły się we Wszechświecie, może być teraz jedynym czynnikiem liczącym się w procesie rejonizacji. Przy wcześniej oszacowanym czasie 450 milionów lat po Wielkim Wybuchu nie było jeszcze wystarczającej ilości gwiazd emitujących promieniowanie ultrafioletowe, przez co nie mogłyby one zjonizować Wszechświata. Naukowcy szukali więc do niedawna całkiem innych, nieznanych jeszcze źródeł jonizujących. Teraz jednak naukowcy sądzą, że liczba takich gwiazd była wystarczająca. Te pierwotne gwiazdy miały ponadto szansę świetnie odnaleźć się w tej roli ze względu na swe ogromne masy i wysokie temperatury powierzchniowe dochodzące do 100 000 kelwinów. Świeciły głównie w zakresie ultrafioletu, dzięki czemu było bardzo skuteczne w procesie jonizowania otaczającego je gazu złożonego z wodoru i helu.

Więcej informacji:


Źródło: A&As

Prawa autorskie do zdjęcia: WikiMedia Commons