16

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2004

pano

rama

R.

J. BOUWENS i in

.;

astro

-ph/0409488

W

kosmologii „daleko” znaczy tyle sa-
mo co „dawno temu”. Za pomocà
Kosmicznego Teleskopu Hubble’a

astronomowie postanowili si´gnàç do naj-
dalszych obiektów dostrzegalnych w Êwie-
tle widzialnym, a tym samym do epoki, w
której galaktyki dopiero zaczyna∏y si´
formowaç. Wybrali w tym celu skrawek
nieba, którego nie przes∏aniajà ob∏oki
materii mi´dzygwiazdowej i w którym pra-
wie nie ma gwiazd. Skrawek ów, nazwany
Ultrag∏´bokim Polem Hubble’a (HUDF –
Hubble Ultra Deep Field), le˝y w gwiazdo-
zbiorze Pieca, widocznym teraz u nas nisko
nad po∏udniowym horyzontem po godzinie
22:00. Ma wielkoÊç dziesi´ciogroszówki oglà-
danej z odleg∏oÊci 25 m, a jego powierzchnia
jest nie wi´ksza ni˝ 1% tarczy ksi´˝yca w
pe∏ni. W okresie od 24 grudnia 2003 roku
do 16 stycznia 2004 roku Hubble wpatrywa∏
si´ w to niewielkie poletko ∏àcznie przez po-
nad 11 dób.

W planowaniu i opracowywaniu obser-

wacji bra∏o udzia∏ ponad 20 astronomów w
kilku zespo∏ach badawczych. BezpoÊrednim
rezultatem ich wysi∏ków jest zdj´cie „skraju
WszechÊwiata” [ilustracja na sàsiedniej
stronie], na którym widaç obiekty Êwiecàce
o wiele s∏abiej ni˝ t∏o najciemniejszego i naj-
czystszego nieba na Ziemi. W komputero-
wych symulacjach ewolucji struktury
WszechÊwiata „dojrza∏e” galaktyki powstajà
poprzez zlewanie si´ niewielkich obiektów
protogalaktycznych. Obserwacje HUDF po-
twierdzajà ten scenariusz – na tym niewiel-
kim obszarze Hubble znalaz∏ kilkadziesiàt
takich protogalaktyk. Ich Êwiat∏o bieg∏o do
nas przez oko∏o 13 mld lat, co oznacza, ˝e
zacz´∏y Êwieciç zaledwie kilkaset milionów
lat po Wielkim Wybuchu.

Przez mniej wi´cej 400 tys. lat po Wiel-

kim Wybuchu WszechÊwiat by∏ praktycznie

w ca∏oÊci zjonizowany (nie istnia∏y atomy, a
jàdra atomowe i elektrony porusza∏y si´ nie-
zale˝nie od siebie). Z chwilà gdy jego tem-
peratura obni˝y∏a si´ do 3000 K, elektrony
do∏àczy∏y do jàder i od tej pory przez kil-
kaset milionów lat na „zwyk∏à” materi´ znaj-
dujàcà si´ we WszechÊwiecie sk∏ada∏y si´
wy∏àcznie neutralne atomy. (Zwyk∏a mate-
ria stanowi tylko oko∏o 4% zawartoÊci
WszechÊwiata. Oko∏o 23% przypada na ciem-
nà materi´, która manifestuje swe istnienie
jedynie za poÊrednictwem przyciàgania gra-
witacyjnego, z jakim oddzia∏uje na materi´
zwyk∏à, pozosta∏e zaÊ 73% – na ciemnà ener-
gi´, która jest odpowiedzialna za przyÊpiesza-
nie ekspansji WszechÊwiata).

Nie wiadomo dok∏adnie, kiedy rozb∏ys∏y

pierwsze gwiazdy. Dane z satelity WMAP
wskazujà, ˝e nastàpi∏o to nie póêniej ni˝
400 mln lat (byç mo˝e zaledwie 100 mln lat)
po Wielkim Wybuchu [patrz: Stanis∏aw
Bajtlik „Kosmiczna kartografia”; Âwiat
Nauki,

KOSMOS ZNANY I NIEZNANY

, Wydanie

specjalne nr 2/2003]. Jedno jest pewne: z
tà chwilà warunki we WszechÊwiecie za-
cz´∏y si´ szybko zmieniaç. Pojawi∏y si´ wy-
sokoenergetyczne fotony, które ponownie
rozbi∏y atomy na elektrony i jàdra atomo-
we, a spokojnà do tej pory materià wstrzà-
sn´∏y generowane w gwiazdach fale ude-
rzeniowe. Rozpocz´∏a si´ epoka powtórnej
jonizacji, w której uformowa∏a si´ wi´k-
szoÊç istniejàcych do dziÊ galaktyk. Dalekie
obiekty odkryte w HUDF sà êród∏em pierw-
szych wiarygodnych informacji o tym nie-
zwykle ciekawym epizodzie w dziejach
WszechÊwiata.

Chyba najwa˝niejszym wynikiem analizy

HUDF jest wykres obrazujàcy, w jaki spo-
sób z up∏ywem czasu zmienia∏o si´ we
WszechÊwiecie tempo procesów gwiazdo-
twórczych [wykres z lewej]. Widaç na nim
wyraênie, ˝e procesy te zaktywizowa∏y si´
kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu
i zaraz potem zwi´kszy∏y swà wydajnoÊç
niemal dziesi´ciokrotnie. Tempo powstawa-
nia gwiazd ros∏o jeszcze przez nast´pne
4 mld lat, a od mniej wi´cej 8 mld lat nie-
przerwanie maleje.

Wyglàda na to, ˝e miliard lat po Wielkim

Wybuchu WszechÊwiat by∏ scenà bar-
dzo gwa∏townych zdarzeƒ, które m.in. do-
prowadzi∏y do powstania supermasywnych
czarnych dziur znajdujàcych si´ dziÊ w

K

OSMOL

OGIA

Dalekie Êwiat∏a kosmosu

ASTRONOMOWIE ODKRYLI OBIEKTY POWSTA¸E 13 MLD LAT TEMU. MICHA¸ RÓ˚YCZKA

PROCESY GWIAZDOTWÓRCZE

zaktywizowa∏y si´, gdy

WszechÊwiat mia∏ kilkaset

milionów lat. Ich wydajnoÊç

osiàgn´∏a maksimum 8 mld lat

temu i od tej pory nieustannie

maleje. Wykres przedstawia

tempo powstawania gwiazd

we WszechÊwiecie w funkcji

czasu, jaki up∏ynà∏ od Wielkiego

Wybuchu. Na osi pionowej

od∏o˝ono logarytm masy gwiazd,

które w ciàgu roku powstajà

w obj´toÊci megaparseka

szeÊciennego.

Przez oko∏o 400 tys. lat po

Wielkim Wybuchu WszechÊwiat

by∏ niemal jednorodny: g´stoÊç

zwyk∏ej materii fluktuowa∏a

w nim w granicach ±0.01% swej

wartoÊci Êredniej. Wa˝nà rol´

odgrywa∏y pierwotne fotony,

powsta∏e w bardzo wczesnej

epoce, w której czàstki elementarne

anihilowa∏y z odpowiadajàcymi

im antyczàstkami. Dopóki materia

by∏a zjonizowana, jej sprz´˝enie

z fotonami by∏o bardzo silne.

Zag´szczenia pojawia∏y si´,

by za chwil´ zniknàç pod wp∏ywem

ciÊnienia promieniowania.

Promieniowanie przesta∏o

oddzia∏ywaç z materià dopiero

wtedy, gdy elektrony po∏àczy∏y si´

z jàdrami atomowymi w neutralne

atomy. Przy braku ciÊnienia

niejednorodnoÊci zacz´∏y szybko

narastaç pod wp∏ywem grawitacji.

W zag´szczeniach materia

stawa∏a si´ coraz g´stsza,

w rozrzedzeniach – coraz rzadsza.

Po kilkuset milionach lat

zag´szczenia mia∏y ju˝ tak

du˝à mas´, ˝e zapadajàc si´

pod w∏asnym cià˝eniem, da∏y

poczàtek pierwszym gwiazdom

i pierwszym galaktykom.

JAK POWSTAWA¸Y

GALAKTYKI

1 Mpc (megaparsek) to 3.26 mln lat Êwietlnych;
masa gwiazd jest mierzona w masach S∏oƒca (M ).

pano

rama

ASA/ESA/R

. WINDHORST (ASU) i H

. Y

A

N (SSCC)

centrach wielu (byç mo-
˝e nawet wszystkich) ga-
laktyk. WÊród tych zda-
rzeƒ dominowa∏y kolizje
protogalaktyk i wywo∏a-
ne nimi erupcje procesów
gwiazdotwórczych. W
miar´ ekspansji Wszech-
Êwiata odleg∏oÊci mi´dzy
protogalaktykami i ufor-
mowanymi ju˝ galaktyka-
mi ros∏y, a kolizje tych
obiektów stawa∏y si´ co-
raz rzadsze. Obecnie „ko-
lizyjne” erupcje gwiaz-
dotwórcze zdarzajà si´
tylko sporadycznie, a gros
gwiazd powstaje w niepo-
równanie mniej dramatycznych okoliczno-
Êciach we wn´trzach galaktyk niezaburza-
nych przez swoje sàsiadki.

Drugi wa˝ny wynik analizy HUDF to usta-

lenie natury obiektów odpowiedzialnych za
powtórnà jonizacj´. Najprawdopodobniej
sà to zwyk∏e galaktyki prze˝ywajàce erup-
cje gwiazdotwórcze: emitowane przez nie
promieniowanie ultrafioletowe wydaje si´
wystarczajàco intensywne. Dodatkowe êró-
d∏a promieniowania ultrafioletowego, tzw.
kwazary (czyli galaktyki, w których znajdu-
jà si´ supermasywne czarne dziury poch∏a-
niajàce olbrzymie iloÊci materii), najpraw-
dopodobniej w∏àczy∏y si´ dopiero wtedy, gdy
wi´kszoÊç materii zosta∏a ju˝ zjonizowana.
JeÊli powy˝sza hipoteza zostanie potwier-
dzona przez inne obserwacje, to z konku-
rujàcych ze sobà scenariuszy ewolucji kwa-
zarów („od czarnej dziury do galaktyki” i
„od galaktyki do czarnej dziury”) pozosta-
nie tylko ten drugi.

Mimo niewàtpliwych post´pów w ba-

daniach epoki powtórnej jonizacji nasza wie-
dza o niej ciàgle jest fragmentaryczna.
HUDF da∏o nam wglàd w jej koƒcowe fazy,
od których do prawdziwych pierwszych
Êwiate∏ WszechÊwiata jest jeszcze bardzo
daleko. Niestety, Kosmiczny Teleskop Hub-
ble’a nie wystarcza, by je obejrzeç. Umo˝li-
wi nam to dopiero jego nast´pca – James
Webb Telescope, który zostanie umieszczony
na orbicie prawdopodobnie dopiero w
2011 roku.

Na konto Hubble’a trzeba jednak zapisaç

jeszcze jeden sukces. HUDF jest statystycz-
nie nieodró˝nialne od dwóch podobnych pól,
jakie za pomocà tego przyrzàdu zbadano w
latach 1995 i 1998 (nie uzyskujàc jednak
równie wysokiej czu∏oÊci). Potwierdza to
s∏usznoÊç podstawowego za∏o˝enia kosmo-
logii – tzw. zasady kosmologicznej, zgodnie
z którà w du˝ych skalach WszechÊwiat jest
jednorodny.

n

FRAGMENT

ultrag∏´bokiego

pola Hubble’a. Kó∏eczka to
najdalsze z zaobserwowanych
galaktyk.