Atunci când au fost date publicității imaginile obținute de către telescopul spațial James Webb am fost teribil de fericit. În fața ochilor mei se desfășura spectacolul unui nou Univers, ceea ce nu are cum să nu impresioneze profund. Sunt convins că și dumneavoastră ați încercat sentimente similare. Trebuie să fim conștienți că aceste imagini reprezintă una din componentele mai puțin importante ale datelor transmise de către marele telescop. Oamenii de știință au nevoie de mult mai multe date pentru a încerca să găsească răspunsurile pe care le caută. În acest context mi-am adus aminte de un articol fascinant, publicat în Scientific American, ediția din ianuarie 2021, care se referea la proto-roiurile de galaxii.
Articolul era semnat de Arianna S. Long de cercetătoare la Universitatea Irvine, California. Scris cu multă vervă, articolul, pe lângă informațiile științifice, relata cu mult talent (așa cum veți vedea mai încolo) și experiența personală a autoarei, care, pentru lucrarea de doctorat, studiase proto-roiurile de galaxii.
Roi de galaxii
Datorită gravitației galaxiile se pot grupa formând o structură la scară mare care poartă numele de roi de galaxii (galaxy cluster). Galaxia noastră face parte din roiul numit Grupul Local. În vecinătatea galaxiei noastre, la distanțe cuprinse între 300 milioane și 600 de milioane de ani lumină, astronomii au identificat roiuri formate din galaxii foarte mari în care nu se mai formează stele noi. Ele sunt rămășițele fosilizate ale celor mai mari galaxii apărute vreodată în Univers. ”Dar, precizează Arianna S. Long, aceste roiuri pun probleme grele astrofizicienilor. Cele mai multe dintre acestea par să se fi ajuns în faza finală de evoluție, în vremea în care Universul avea doar jumătate din vârsta actuală. Se pare că galaxiile din care sunt formate au crescut rapid la dimensiuni mai mari decât ale Căii Lactee, dar cu 10 miliarde de ani mai devreme, mult prea rapid decât prevede teoria evoluției galactice. Observațiile sugerează să roiurile tinere de galaxii – proto-roiurile – în care s-au format aceste galaxii erau locuri incredibil de active, în care ritmul formării de noi stele era de-a dreptul frenetic. Care au fost condițiile care au favorizat o asemenea evoluție atât de rapidă?”
În mod obișnuit o galaxie dă naștere la echivalentul de una până la zece mase solare de stele în fiecare an. Galaxia noastră este una dintre ele și face asta de multă vreme, începând cu 10 miliarde de ani în urmă. Mai poate exista și un alt tip de galaxii, cunoscute sub numele de galaxii ”starburst”, în care se nasc în fiecare an sute până la mii de stele în fiecare an. Evident, rezerva de gaz interstelar disponibilă se epuizează rapid și, în cel mult 300 de milioane de ani formarea stelelor noi încetează. Ele trăiesc intens și mor repede, aproape într-o clipită cosmică. Astrofizicienii consideră că acestea sunt cele mai bune candidate pentru galaxiile ”moarte” pe care le observăm în roiurile galactice.
Probleme de observare
Pentru a avea confirmarea aceste ipoteze trebuie să ”privim” până hăt-departe, către perioada de început a Universului. Din păcate, până relativ recent, nu dispuneam de instrumentele necesare pentru această ambițioasă întreprindere. De exemplu, exista o problemă legată de câmpul de vedere al instrumentelor noastre, deoarece proto-roiurile de galaxii se întind pe suprafețe mari pe cer. Câmpul de vedere al telescopului Hubble este de 100 de ori mai mic decât suprafața cerească ocupată de un proto-roi de galaxii.
Alte metode de căutare, cum ar fi observarea sistematică a unor suprafețe mari de cer, tind să rateze galaxiile starburst deoarece ele cel mai adesea sunt înconjurate de praf interstelar. Motivul este relativ simplu. Producția rapidă de stele noi are drept consecință și creșterea numărului stelelor care sfârșesc printr-o moarte explozivă. Asta duce la o supraabundență de metale grele, care se dispersează prin spațiu și care absorb lumina din domeniul ultraviolet și vizibil. Arianna S. Long se exprimă foarte plastic: ”un fenomen similar îl întâlnim în cazul marilor incendii de pădure. Funinginea absoarbe mai lumina albastră, lăsând-o să treacă pe cea roșie.” Galaxiile starburst sunt aproape inviziblie pentru telescoapele din domeniul vizibil și ultraviolet, dar pot fi observate în alte domenii ale spectrului electromagnetic. Între sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2010, astrofizicienii au început să dispună de instrumente care aveau să revoluționeze domeniul observării protoroiurilor de galaxii. Printre acestea aș menționa telescoapele SCUBA (Submillimeter Common-User Bolometer Array), telescoapele spațiale Hershel și Spitzer și Telescopul de la Polul Sud. Ele au ajutat la observarea unor galaxii, care până atunci erau invizibile. Dar problemele observaționale nu au fost complet rezolvate. Rezoluția instrumentelor era încă prea scăzută, astfel încât mai multe galaxii apăreau ca și când ar fi un singur ubiect, chiar dacă ele se aflau la mare distanță între ele, dar pe aceeași linie de vizare.
Situația s-a modificat radical, odată cu intrarea în funcțiune a rețelei de radiotelescoape ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) instalată la o altitudine de 5.100 m, pe platoul Chajnantor, din apropierea orașului San Pedro de Atacama. Ea este compusă din 66 de antene cu diametre cuprinse între 7 și 12 m, distanțate între ele cu 150m până la 16 km. ALMA funcționează ca un observator interferometric, ceea ce face să obțină date de înaltă rezoluție, perfomanțe utile atunci când dorim să observăm galaxiile starburst.
Primele observații
Rezultatele nu au întârziat să apară. În 2018 două echipe independente de cercetători au anunțat că au folosit ALMA pentru a căuta obiectele cele mai strălucitoare în infraroșu din Universul îndepărtat. Astfel în martie 2018, în Astrophysical Journal, era publicat articolul ”An Extreme Protocluster of Luminous Dusty Starbursts in the Early Universe” în care erau prezentate rezultatele folosirii rețeleio de radiotelescoape ALMA pentrtu observarea proto-roiului numit Distant Red Core (DRC). În același an, în aprilie, în revista Nature era publicat articolul ”A massive core for a cluster of galaxies at a redshift of 4.3”, în care erau prezentate rezultatele observării proto-roiului SPT2349-56.
Aceste două proto-roiuri galactice îndepărtate au fost observate așa cum arătau în momentul în care Universul avea o vârstă echivalentă cu 10% din cea actuală. În ambele cazuri s-a constatat că ele converteau în stele gazul intragalactic de 10.000 de ori decât Calea Lactee, într-un volum cât jumătate din cel al Grupului Local (care este format din Calea Lactee, Andromeda și câteva galaxii pitice.) Calculele astrofizicienilor au arătat că în numai câteva sute de milioane de ani, în ritmul acela fantastic de formare a stelelor, gazul necesar pentru nașterea de astrelor ar fi epuizat complet, iar galaxiile starburst din proto-roiuri ar muri, pur și simplu.
Rezultatele obținute sunt de-a dreptul remarcabile, dar sunt incomplete. O problemă crucială încă își aștepta răspunsul. Nu era cunoscută masa celor două uriașe structuri. Arianna S. Long: ”Cea mai bună cale pentru a «cântări» o galaxie constă în măsurarea cantității de lumină emise de ele, pentru a le evalua populația stelară.” Pentru aceasta este nevoie să fie colectate date de pe ansamblul spectrului electromagnetic. Din păcate, până recent, asemenea date nu existau, majoritatea observațiilor fiind efectuate pe benzi de lungimi de undă relativ înguste. Acum avem problema, dar și soluția. Trebuie să realizăm observații suplimentare cu ajutorul altor instrumente. Arianna, împreună cu colegii ei, s-au gândit că ar fi bine să folosească telescoapele spațiale Hubble și Spitzer, alături de Observatorul Gemini din Hawaii, pentru a obține datele necesare pentru evaluarea masei proto-roiurilor.
Emoții… emoții
Au fost depuse cererile oficiale pentru obținerea datelor necesare. Arriana mărturisește fermecător cum a așteptat datele colectate de Hubble. Îmi iau permisiunea de a o cita în continuare, fără să mai adaug vreun comentariu de-al meu.
Arianna: ”A aștepta datele telescopului Hubble te face cumplit de nervos. Ești informat despre ziua în care el a fost programat pentru a observa colțul de cer care te interesează, dar nu ți se spune nimic despre momentul în care îți vor fi transmise datele. Trebuie să aștepți cu răbdare un mesaj prin care ești informat că datele sunt disponibile în arhivă. Probabil că la fiecare două minute mi-am consultat mesageria în ziua în care Hubble a fost programat pentru a observa proto-roiul Distant Red Core… Am fost foarte dezamăgită atunci când a venit vremea să mă culc și nu am primit nici un mesaj de la Hubble. Dimineața am sărit din pat și m-am grăbit către calculator. Datele fuseseră transmise cu câteva ore mai devreme. Nu îmi găseam locul în timp de încărcam fișierele pe hard disk. Apoi am deschis imaginea. Atunci când ești primul om care vede o parte a Universului nemaivăzută până atunci nu ai cum să nu fi cuprins de o profundă emoție. M-am simțit obligată ca mai întâi să inspectez rapid fiecare stea și galaxie din imagine. În cele din urmă am trecut la muncă. Colțul de imagine care mă interesa era o regiune cu activitate bogată. Cel puțin jumătate dintre galaxii aveau o formă neregulată deoarece suferiseră, sau mai sufereau și acum, numeroase coliziuni intergalactice. Împreună cu colegii mei am estimat populația stelară din aceste galaxii și am obținut rezultate spectaculoase și chiar incredibile.”
Furtuna din proto-roiuri
Incredibil era numărul stelelor adulte din aceste galaxii. Arianna: ”într-unele dintre galaxiile proto-roiului Distant Red Core deja erau de trei ori mai multe stele decât în galaxia noastră, dar ele s-au născut într-un interval de timp extrem de scurt. Simulările bazate pe modelele actuale au mari dificultăți în a reproduce acest ritm rapid de naștere a stelelor.” Dificultățile vin din faptul că, dacă ar fi să ne luăm după aceste simulări, atunci când se atinge ritmul observat de naștere a stelelor din galaxiile starburst ar trebui fie ca galaxia să se sfărâme, fie să se încălzească atât de tare încât gazul intragalactic, din care se formează stelele noi, să ”evadeze” în zona intergalactică.
Proto-roiul mai prezenta o mare problemă. Arianna: ”Proto-roiul evea o masă șocant de mare. Atunci când am măsurat-o pentru prima oară, nu mi-a venit să îmi cred ochilor. Mi-am consultat colegii din departament pentru a mă asigura că nu am greșit la calcule. Două săptămâni mai târziu am prezentat colaboratorilor mei, într-o conferință, rezultatele obținute. Cineva mi-a spus că este probabil o eroare de software. Altcineva m-a întrebat dacă sunt sigură că nu am numărat de două ori stelele. În cele din urmă, după de am verificat de mai multe ori rezultatele și am folosit nai multe metode de calcul, ele au devenit de necontestat. Proto-roiul Distant Red Core este mult prea nare pentru Universul nostru.”
Și mai era ceva. Arianna, împreună cu colegii ei, a încercat să evalueze masa haloului de materie întunecată care învăluia proto-clusterul. Rezultatele obținute erau din nou incredibile. Arianna: ”Am constatat o supraabundență de materie întunecată în proto-roiul DRC care ar viola legile Universului pe care le cunoaștem acum.”
S-a mers și mai departe cu simularea. A fost modelată, pe baza teoriei acceptate în prezent, evoluția proto-clusterului pe o perioadă de 12 miliarde de ani. Rezultatele au fost din nou surprinzătoare. În prezent Distant Red Core ar trebui să fie mai mare decât orice roi de galaxii cunoscut. Avem deci, foarte multe probleme care își așteaptă răspunsul. Așa cum spunea Arianna: ”Cea mai bună cale de verificare a modelor teoretice pe care le avem este verificarea lor în condiții extreme. Vom reuși în următorii ani să explicăm caracteristicile proto-roiurilor? Ele ne obligă să înțelegem altfel formare stelelor și galaxiilor din Universul primordial, ajutându-ne astfel să elaborăm teorii mai bune.”
Încheiere
Vreau să vă reamintesc acum că, printre primele imagini transmise de către telescopul spațial James Webb a fost și una în care era surprinse primele stele și galaxii din Universul nostru. Am convingerea că Arianna și alți astrofizicieni vor obține datele de care au nevoie pentru a rezolva problemele teoretice ale începutului…
