42665 SN grudzien 066

I'

*r.

Czas

Szerokość obrazu Obserwowana długość fali:

miejscach o największej gęstości pojawią się galaktyki oraz bąble zjonizowanego wodoru. Bąble te będą rozszerzać się i łączyć ze sobą aż do momentu, w którym wodór zostanie zjonizowany w całej przestrzeni międzygalaktycznej [ramka z prawej]. Kształt brzegów bąbli pozwoli odpowiedzieć na pytanie, czy główną przyczyną ponownej jonizacji były masywne gwiazdy, czy czarne dziury. Masywne gwiazdy emitują większość energii w postaci silnie pochłanianego przez wodór promieniowania ultrafioletowego, podczas gdy czarne dziury wysyłają głównie promienie rentgenowskie, które znacznie łatwiej przenikają przez gaz. Brzegi bąbli powstających wokół czarnych dziur są więc bardziej rozmyte.

Jest niemal pewne, że kosmiczny tomogram przyniesie więcej informacji niż inne kosmologiczne przeglądy nieba, a nawet niż mikrofalowe promieniowanie tła. Po pierwsze, promieniowanie tła zostało wyemitowane, gdy materia ochłodziła się do 3 tys. K. Niesiony przez nie obraz Wszechświata ma więc tylko dwa wymiary, podczas gdy tomogram będzie trójwymiarowy. Po drugie, mikrofalowe tło jest nieco rozmyte, gdyż jego fotony nie we wszystkich miejscach oddzieliły się od materii w tym samym czasie. W pewnym okresie zawartość Wszechświata nie była ani całkowicie nieprzezroczysta, ani w pełni przejrzysta - przypominała stopniowo rozwiewającą się mgłę. Drobne szczegóły na mikrofalowym niebie zostały wtedy rozmazane przez zjawisko zwane dyfuzją. Falc wysłane przez wodór nie napotkały w drodze do nas żadnych przeszkód i wiernie odzwierciedlają rozkład gazu. Po trzecie, promieniowanie tła uwidacznia tylko pierwotne fluktuacje gęstości, z których powstały galaktyki, podczas gdy kosmiczny tomogram pokaże nam, jak galakty ki rozwijały się w dojrzałe obiekty, oddziałujące na otoczenie promieniowaniem.

Obserwatorzy, którzy chcą odebrać promieniowanie wodoru wyemitowane w epoce ciemności, muszą pokonać wiele przeszkód. Przede wszystkim trzeba odfiltrować sygnały ziemskich nadajników radiowych. Jeszcze trudniejszym zadaniem może okazać się odfiltrowanie promieniowania radiowego naszej Galaktyki, które jest 10 tys. razy silniejsze od oczekiwanego sygnału. Na szczęście na nieco różnych częstościach Galaktyka „nadaje prawie dokładnie to samo", podczas gdy sygnał wodoru silnie zależy od częstości, gdyż odzwierciedla przestrzenną strukturę zjonizowanych bąbli. Ta różnica powinna umożliwić wyeliminowanie emisji galaktycznej. Jakość danych będzie można ocenić, porównując mapy radiowe na fali 21 cm z obrazami uzyskanymi innymi instrumentami (np. JWST). Galaktyki widoczne w zakresie podczerwonym powinny leżeć wewnątrz zjonizowanych bąbli otoczonych neutralnym wodorem.

Trudne zadania mają także teoretycy. Najważniejszym z nich jest wykonanie komputerowych symulacji ewolucji materii w obszarze na tyle dużym, by był statystycznie reprezentatywny dla całego Wszechświata. Taki obszar musi mieć średnicę co najmniej miliarda lat świetlnych, zaś symulacja powinna być na tyle dokładna, by odtworzyć powstawanie galaktyk karłowatych. Powinna również śledzić propagację promieniowania jonizującego w gazie otaczającym młode galaktyki (dotychczasowe modele tego procesu były bardzo uproszczone). Całkiem możliwe, że obserwatorzy zobaczą ponowną jonizację, zanim teoretycy powiedzą im, na co mają zwracać uwagę.

ROZŚWIETLANIE KOSMOSU

Na początku epoki ciemności Wszechświat był wypełniony obojętnymi elektrycznie atomami wodoru. Pierwsze gwiazdy utworzyły wokół siebie gorące bąble wypełnione zjonizowanym gazem. Z czasem wszystkie bąble zlały się ze sobą i międzyga-laktyczny gaz został całkowicie zjonizowany.

.

O

Symulowane obrazy promieniowania o długości fali 21 cm pokazują, w jaki sposób gaz przekształca się w gromadę galaktyk. Ilość promieniowania (biaty - największa; pomarańczowy i czerwony - pośrednia; czarny - najmniejsza) odzwierciedla gęstość gazu i stopień jego jonizacji: gęsty, elektrycznie obojętny gaz widzimy jako biały; całkowicie zjonizowany - jako czarny. Rysunki przeskalowano, aby usunąć efekt ekspansji kosmicznej i lepiej uwidocznić proces tworzenia się gromady. Ponieważ Wszechświat się rozszerza, promieniowanie 21 cm odbieramy w postaci fal tym dłuższych, im dawniej zostało wyemitowane.

Połączone wysiłki obserwatorów i teoretyków powinny wypełnić przynajmniej niektóre luki w teorii powstawania galaktyk. Jedną z nich jest problem pochodzenia superma-sywnych czarnych dziur. W ostatnim dziesięcioleciu astronomowie stwierdzili, że w obecnej epoce ewolucji Wszechświata taką dziurę kryje w sobie prawie każda galaktyka | (m.in. nasza Droga Mleczna). Podczas zderzeń galaktyk ||^; w okolice dziur napływają duże ilości gazu. Gaz, który |Ź: spada na dziurę, rozgrzewa się i świeci tak silnie, że przy- 1| ćmiewa całą resztę galaktyki. Z daleka widać tylko bezpo- |2| średnie otoczenie czarnej dziury’, które wygląda na niebie s|! jak świetlny punkt trudny do odróżnienia od gwiazdy. Takie j Sj niby-gwiazdy astronomowie nazywają kwazarami. Dzięki danvm zebranym podczas przeglądu nieba SDSS (Sloan §s-

36 ŚWIAT NAUKI GRUDZIEŃ 2006