SN grudzien 063

4 mld lat

Tempo, w jakim powstają gwiazdy, osiąga maksimum i zaczyna maleć

9 mld lat Rodzą się

Podczerwone zdjęcie galaktyki w Andromedzie (M31)

1 mld lat

Obecny zasięg obserwacji. Duże galaktyki są już uformowane; ponowna jonizacja dobiegła końca

Petitjean i Tom Broadhurst „Kosmiczne pustkowia”; Świat Nauki, grudzień 2002], Na trop tego, co się wydarzyło jeszcze wcześniej, naprowadziła nas przed trzema laty sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP): dowiedzieliśmy się, że mikrofalowe promieniowanie tła jest w niewielkim stopniu spolaryzowane. Neutralny wodór nie polaryzuje fal elektromagnetycznych; robi to tylko wodór zjonizowany. Zaobserwowany stopień polaryzacji oznacza, że całkiem spora liczba atomów wodoru została ponownie rozbita na protony i elektrony już paręset milionów lat po Wielkim Wybuchu, a więc w czasach, gdy epoka ciemności miała się ku końcowi.

Większość kosmologów wiąże proces ponownej jonizacji z powstaniem pierwszego pokolenia gwiazd. Chcąc zjonizo-tyk były pierwotne zagęszczenia o bardzo małej amplitudzie. Początkowo rozszerzały się razem z całym Wszechświatem, ale ich własna grawitacja wyhamowała i odwróciła ekspansję, prowadząc do uformowania się galaktyk.

Z najnowszych symulacji komputerowych wynika, że 100 min lat po Wielkim Wybuchu we Wszechświecie pojawiły się galaktyki karłowate, które stopniowo łączyły się w coraz większe obiekty. Dojrzałe galaktyki (m.in. nasza Droga Mleczna) powstały z milionów takich cegiełek. W galaktykach karłowatych materia stygła, gęstniała i zapadała się pod wpływem własnej grawitacji, tworząc gwiazdy [patrz; Richard B. Larson i Volker Bromm „Co zawdzięczamy gwiazdom?"; Świat Nauki, luty 2002]. Ultrafioletowe promieniowanie gwiazd przedostawało się w' przestrzeń

W epoce ciemności we Wszechświecie zaszły

GWAŁTOWNE ZMIANY.

wać atom wodoru, trzeba mu dostarczyć co najmniej 13.6 eV energii. Tyle niosą kwanty promieniow'ania ultrafioletowego. 13.6 eV to niedużo - zaledwie około 10⁹ J na kilogram wodoru, czyli o wiele mniej niż 10*³ J, które wydzieliłby ten sam kilogram wodoru w reakcjach fuzji termojądrowej. Aby zjoni-zować cały wodór we Wszechświecie, wy starczyłoby przetworzyć wewnątrz gwiazd jedną milionowy część jego masy. Jest też możliwe, że większość promieniowania jonizującego została wy emitowana przez materię opadającą na czarne dziury'. W ten sposób można otrzymać nawet 10¹⁶ J na kilogram; tak więc cały wodór zostałby zjonizowany, gdyby do czarnych dziur wpadł zaledwie jeden jego atom na 10 min.

Gwiazdy i czarne dziury formują się w galaktykach. Do powstania galaktyk musiało zatem dojść, zanim rozpoczęła się epoka ponownej jonizacji. Większość ludzi uważa galaktyki za zbiorowiska gwiazd, ale dla kosmologów są one po prostu zagęszczeniami materii, w których gwiazdy pojawiły się stosunkowa późno. W zagęszczeniach tych dominuje ciemna materia, złożona z niezidentyfikowanych jeszcze cząstek elementarnych, które ze zwykłą materią oddziałują tylko poprzez grawitację. Kosmolodzy przypuszczają, że zarodkami galak-międzygalaktyczną, gdzie wyrywało elektrony z atomów i tworzyło rozszerzające się bąble zjonizowanego gazu. Gdy liczba galaktyk wyrosła, pojawiły się nowe bąble, a gaz międzygalaktyczny zaczął wyglądać jak ser szwajcarski. W końcu bąble połączyły się i wypełniły całą przestrzeń. Wszechświat został ponownie zjonizowany.

Taki scenariusz wydaje się bardzo prawdopodobny, ale na razie jest tylko spekulacją. Praktyczni kosmolodzy chcieliby zaobserwować ponowną jonizację, zanim opiszą ją w podręcznikach. Poza tym tylko obserwacje mogą rozstrzygnąć, co było główną przyczyną tego procesu (gwiazdy czy czarne dziury), oraz odtworzyć szczegóły roli ciemnej materii. Pojawia się jednak pytanie, co obserwować, skoro przynajmniej na początku epoki ciemności we Wszechświecie nie było świecących obiektów?

Widzieć w ciemnościach

na szczęście nawet zimny wodór emituje pewien rodzaj światła. Subatomowe cząstki mają własność zwaną spinem, którą można poglądowo obrazować za pomocą strzałki. W atomie wodoru spiny elektronu i protonu mogą być

GRUDZIEŃ 2006 ŚWIAT NAUKI 33

.