Mai mult decât văd ochii: Universul distant şi rece Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. În acest al cincilea şi ultim articol din seria despre legătura dintre astronomie şi spectrul electromagnetic, veţi afla cum folosesc oamenii de ştiinţă misiunile Agenţiei Spaţiale Europene pentru a observa cerul în domeniile infraroşu îndepărtat,…

La cinci mii de ani-lumină de Pământ se află cel mai rece obiect găsit în Univers, nebuloasa Boomerang – o stea în agonie care lasă în urmă un nor de gaz având doar un grad peste 0 K – zero absolut. Acest nor, ca și alte obiecte reci din Univers, este invizibil cu ochiul liber.

Cu cât este mai rece un obiect, cu atât sunt mai mari lungimile de undă ale luminii emise ^w1. La temperaturi de 50 K sau mai puțin, porțiunile reci de gaz interstelar și de praf cosmic emit lumină având lungimi de undă în spectrele infraroșu îndepărtat (25 μm până la 350 μm) și sub-milimetric (350 μm la 1 mm), adică lungimi de undă pe care ochii noștri nu le pot detecta. Atunci cum știm că există aceste obiecte reci? Pentru a capta radiațiile și pentru a „vedea” obiectele care emit în lungimi de undă dincolo de domeniul vizibil, astronomii folosesc telescoape dedicate spectrelor infraroșu-îndepărtat (FIR), sub-milimetric (sub-mm) și de microunde.

Însă această abordare vine şi cu provocări: lumina emisă la aceste lungimi de undă lungi este absorbită de vaporii de apă și de alte molecule din atmosfera Pământului, ceea ce face ca observațiile de la sol să fie extrem de dificile, sau chiar imposibile, la lungimi de undă FIR. Pentru majoritatea lungimilor de undă în infraroșu, atmosfera însăși emite lumină, adăugând o sursă nedorită de zgomot la semnalele cosmice de care sunt interesați astronomii.

Pentru a combate aceste probleme, telescoapele cu lungimi de undă mari pot fi amplasate doar în regiuni uscate şi de înaltă altitudine. De exemplu, cea mai mare instalație de radio-astronomie din lume – Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – se află în Anzii cilieni. La o altitudine de 5000 de metri, ALMA se află pe una dintre cele mai înalte locații de observator de pe Pământ, şi poate studia lumina ce soseşte de la unele dintre cele mai reci obiecte din Univers (așa cum este descris în Mignone & Pierce-Price, 2010).

Agenția Spațială Europeană^w2 (ESA) a mers chiar și mai sus, pe 14 mai 2009, când a lansat două noi observatoare spațiale. Funcționând dincolo de atmosfera Pământului, observatorul spațial Herschel și satelitul Planck au fost destinate să studieze acel Univers rece și îndepărtat. În termeni astronomici, observarea obiectelor îndepărtate înseamnă că privim înapoi în timp. Când un telescop observă o galaxie aflată la 100 de milioane de ani lumină distanță, vedem galaxia așa cum era ea acum 100 de milioane de ani, când lumina a fost emisă. Și pentru că universul nostru se extinde, lungimea de undă a luminii emise de stele și galaxii îndepărtate se măreşte și mai mult până ajunge la telescoapele aflate pe sau lângă Pământ – un fenomen cunoscut sub numele de deplasarea-spre-roşu^w3. 

Observatorul spațial Herschel a conţinut un telescop de 3,5 m pentru observații FIR și submilimetrice, iar misiunea sa a fost studierea originii și evoluției stelelor și galaxiilor. Pe de altă parte, scopul satelitului Planck a fost de a studia radiația relicvelor din Big Bang prin supravegherea întregului cer în spectrele submultimetric și de microunde. Până în 2013, când cele două misiuni s-au încheiat, observațiile lor au furnizat multe indicii care altfel lipseau astronomilor.

Cum se nasc stelele

Observațiile telescoapelor lucrând în domeniul undelor lungi evidenţiază amestecul rece de gaz și de praf care străbate galaxiile. Acest mediu interstelar a constituit materia primă din care s-au născut stele și planete: în cele mai dense părți ale norilor moleculari, gravitatea determină gazul și praful să se contracte și să se rupă, ducând în cele din urmă la nașterea de stele.

În timp ce stelele mature strălucesc cel mai puternic în sprectrele de ultraviolet, vizibil și în infraroșul-apropiat (așa cum este descris şi în Mignone & Barnes, 2014), primele etape ale formării stelelor sunt cel mai bine revelate în alte porțiuni ale spectrului electromagnetic. În mod particular, proto-stelele individuale din Calea Lactee și din galaxiile vecine pot fi detectate la lungimi de undă infraroşu-îndepărtat și submilimetrice.

Observațiile de la telescopul Herschel au arătat că mediul interstelar din galaxia noastră este străbătut de structuri filamentare de gaz și de praf organizate la diverse scări. De la norii din apropiere care găzduiesc încâlcituri de filamente având doar câțiva ani lumină, şi până la structurile gigantice care se întind pe sute de ani lumină în brațele spiralate ale Căii Lactee, astfel de structuri – dintre care doar câteva erau cunoscute înainte de misiunea Herschel – par să existe pretutindeni.

Astronomii cred acum că stucturile filamentare sunt cheia formării stelelor: odată ce densitatea gazului interstelar și a prafului dintr-un filament depășește o valoare critică, el poate deveni instabil gravitațional, dând naștere unor concentrații mai dense de materie care pot să formeze în cele din urmă stele.

Scrutând întregul cer, satelitul Planck a detectat mii de aglomerări reci și dense în care s-au născut stele, și el ne-a arătat că aceste aglomerări nu sunt izolate, ci par a fi inter-legate. Ele formează structuri filamentare uriașe în Calea Lactee, asemănătoare cu filamentele mai mici detectate de observatorul spațial Herschel.

Formarea şi evoluţia galaxiilor

Observarea acelor regiuni de formare a stelelelor din Calea Lactee ne oferă o perspectivă mai apropiată asupra proceselor care dau naștere stelelor. Însă misiunea spaţială Herschel a contribuit şi la investigarea evoluției formării stelelor în galaxii îndepărtate şi de-a lungul istoriei cosmosului.

De exemplu, studiile bazate pe observațiile lui Herschel au arătat că majoritatea stelelor din istoria Universului s-au format mai degrabă în mod calm, în galaxii considerate ‘normale’ pentru epoca în care le vedem, şi mai puţin prin evenimente violente și tumultuoase, precum fuziunile de galaxii.

Fuziunile, deși spectaculoase, sunt relativ rare și de scurtă durată. Ele nu au dominat istoria cosmică a formării de stele pentru cel puțin ultimele 10 miliarde (10¹⁰) de ani. Crucial pentru formarea stelelor este că galaxiile au suficiente gaze disponibile pentru a crea stele, iar materia aceasta poate fi furnizată de fluxurile intergalactice de gaze reci.

Universul timpuriu

În cele din urmă, cea mai veche lumină din istoria Universului nostru de 13,8 miliarde de ani este fundalul cosmic de microunde (CMB) – rămășiță a radiației termice din Big Bang. Fosilă provenită din starea caldă și densă a cosmosului timpuriu, CMB a fost eliberată la 380’000 de ani după Big Bang, și este ea este mărturia cea mai îndepărtată din punct de vedere temporal pe care o putem explora folosind lumina. Ea conține o mulţime de informații despre formarea și evoluția structurii Universului și poate fi detectată utilizând microundele.

Planck a fost cea de-a treia misiune spațială trimisă pentru a studia această relicvă a Universului timpuriu, după sateliții COBE și WMAP ai NASA. Satelitul Planck a cartografiat, cu o minuţiozitate fără precedent, fundalul termic de 2,73 K, reprezentând până şi diferențe infime de plus/minus 0,00001 K^w4.
 

Aceste infime fluctuații urmăresc regiuni având densităţi ușor diferite ale fluidului care umplea cosmosul timpuriu, înainte de formarea stelelor şi galaxiilor. Astfel că ele pot fi considerate semințele în jurul cărora se vor forma ulterior toate structurile cosmice viitoare, inclusiv stelele și galaxiile de azi.

Cartarea realizată de misiunea Planck este cea mai precisă imagine a Universului timpuriu obţinută până acum, şi ea confirmă viziunea standard asupra cosmosului: aceasta permite astronomilor să estimeze cu și mai mare precizie vârsta Unversului, rata lui de expansiune și compoziția.

Web References

• w1 – Aflaţi cum lungimea de undă la care emit lumină majoritatea obiectelor celeste este legată de temperatura respectivelor obiecte.

• w2 – ESA este poarta Europei către spaţiu, şi are sediul central în Paris, Franţa.

• w3 – Citiţi mai multe depre deplasarea înspre roşu a luminii şi despre importanţa ei în astronomie.

• w4 – Alfaţi mai multe despre satelitul Planck şi despre fundalul de radiaţie cosmică de microunde.

Resources

• Pentru a afla mai multe despre misiunile Planck şi Herschel ale ESA, vizionaţi episoadele doi şi trei din vodcast-urile Science@ESA.

• Herschel şi Plank au fost echipate cu sisteme avansate de refrigerare pentru a menţine detectorii la temperatura de câteva grade deasupra lui zero absolut.

• Exploraţi prezentarea online a imaginilor Herschel.

• Pentru materiale educative mai accesibile produse de ESA, vedeţi: www.esa.int/educationmaterials

• Pentru a citi articolele anterioare din seria astronomiei electromagnetice, vedeţi:

• Mignone C, Barnes R (2011) Mai mult decât văd ochii: spectrul electromagnetic. Science in School 20.

• Mignone C, Barnes R (2011) More than meets the eye: unravelling the cosmos at the highest energies. Science in School 21: 57–64.

• Mignone C, Barnes R (2012) More than meets the eye: the exotic, high-energy Universe. Science in School 24: 53–58.

• Mignone C, Barnes R (2014) Mai mult decât văd ochii: cum telescoapele spaţiale privesc dincolo de curcubeu. Science in School 29.

• Citiţi despre ALMA, cea mai mare instalaţie radio-astronomică din lume. Vedeţi:

• Mignone C, Pierce-Price D (2010) Observatorul ALMA: cerul este doar la un pas de noi. Science in School 15.

Institutions

Author(s)

Claudia Mignone este comunicator de ştiinţă la Directoratul de Ştiinţă al Agenţiei Spaţiale Europeane (Vitrociset, Belgia). Ea deţine un titlu în astronomie de la Universitatea Bolonia, Italia, şi un doctorat în cosmologie de la Universitatea Heidelberg, Germania. Înainte de a se alătura ESA, ea a lucrat în biroul de comunicare publică al ESO (Observatorul European de Sud).

Rebecca Barnes este ofiţer de educare la Directoratul de Ştiinţă al Agenţiei Spaţiale Europeane (HE Space Operations). Ea a obţinut un titlu în fizică şi astrofizică de la Universitarea Leicester, Marea Britanie, iar anterior a lucrat în departamentele de educaţie şi de comunicare ale Centrului Spaţial Naţional al Marii Britanii. Pentru a afla mai multe despre actitivităţile edicative ale Directoratului de Ştiinţă al ESA, contactaţi-o pe Rebecca prin adresa de email SciEdu@esa.int.

Review

Acest articol demonstrează cum astronomii încep să răspundă celor mai edificatoare întrebări despre originea Universului și despre cum s-au format stelele în Universul timpuriu (și în cel matur).

El poate fi folosit pentru suscitarea dialogurilor pornind de la întrebări de genul:

• Cum folosesc astronomii spectrul electromagnetic?
• Ce se câştigă prin studierea fundalului de radiaţie cosmică cu microunde (CMB)?
• Poate fi justificat costul misiunilor ştiinţifice spaţiale?

Robert Woodman, Ysgol Bro Gwaun, Marea Britanie

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF