Τελικά πόση είναι η απόσταση ενός μακρινού γαλαξία;

Τι-Πως-Γιατί

Τον Δεκέμβριο του 2022, αστρονόμοι χρησιμοποιώντας το ραδιοσυμβολόμετρο “Atacama Large Millimeter/submillimeter Array” (ALMA) επιβεβαίωσαν την ανακάλυψη ενός από τους πιο μακρινούς γαλαξίες που έχουν παρατηρηθεί ποτέ. Το αχνό φως στα ραδιοκύματα που κατέγραψε το ALMA ξεκίνησε το ταξίδι του προς εμάς όταν η ηλικία του σύμπαντος ήταν μικρότερη από 360 εκατομμύρια χρόνια. Είναι ένας εξαιρετικά μακρινός γαλαξίας· αλλά πόσο μακριά βρίσκεται πραγματικά; Η απάντηση είναι λίγο περίπλοκη και εξαρτάται από το τι εννοούμε με τον όρο απόσταση.

Καταρχάς, οι αστρονόμοι δεν μπορούν να μετρήσουν απευθείας την απόσταση των γαλαξιών που βρίσκονται δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Αντίθετα, μετρούν αυτό που είναι γνωστό ως “ερυθρομετάθεση” ή “z”. Στην περίπτωσή μας, η ομάδα μέτρησε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος φωτός που εκπέμπεται από το οξυγόνο, γνωστό ως OIII. Όταν παρατηρούμε τη γραμμή εκπομπής OIII σε περιβάλλον εργαστηρίου, εδώ στη Γη, αυτή έχει μήκος κύματος 88 μικρόμετρα. Το μήκος κύματος της γραμμής OIII που παρατήρησε το ALMA στον συγκεκριμένο γαλαξία ήταν πολύ μεγαλύτερο, περίπου 1.160 μικρόμετρα. Εφόσον το μήκος κύματος του κόκκινου φωτός είναι μεγαλύτερο από αυτό του μπλε φωτός, λέμε ότι η παρατηρούμενη γραμμή OIII έχει μετατοπιστεί προς το ερυθρό ή -αλλιώς- πως εμφανίζει ερυθρομετάθεση. Από την στιγμή που γνωρίζουμε αυτούς τους δύο αριθμούς -αυτά τα δύο μήκη κύματος- ο υπολογισμός του z είναι εύκολος. Έτσι, για την περίπτωση του συγκεκριμένου γαλαξία: z = (1160—88)/88 = 12,2. Όσο μεγαλύτερο είναι το z, τόσο μεγαλύτερη είναι η ερυθρομετάθεση, και η τιμή z = 12,2 αποτελεί την μεγαλύτερη επιβεβαιωμένη μετατόπιση ενός γαλαξία προς το ερυθρό, μέχρι στιγμής.

Και τι έχουν όλα αυτά να κάνουν με την απόσταση; Υπάρχουν δύο τρόποι, με τους οποίους μπορεί να μετατοπιστεί το φως ενός γαλαξία. Ο πρώτος αφορά το φαινόμενο Doppler και προκαλείται από τη φυσική κίνηση ενός γαλαξία στο διάστημα. Πιθανότατα γνωρίζετε ήδη αυτό το φαινόμενο, στον ήχο. Όταν περνάει με ταχύτητα από κοντά σας ένα όχημα με σειρήνα ή μία μοτοσυκλέτα, τότε ο ήχος τους είναι πιο οξύς καθώς σας πλησιάζουν, ενώ γίνεται πιο μπάσος καθώς απομακρύνονται. Αυτό συμβαίνει γιατί τα ηχητικά κύματα πυκνώνουν (άρα, υψηλότερη συχνότητα) όσο το όχημα έρχεται προς το μέρος σας, ενώ αντίθετα “απλώνονται” καθώς φεύγει μακριά από εσάς (άρα, χαμηλότερη συχνότητα). Το ίδιο, ακριβώς, συμβαίνει και με το φως! Εάν ένας γαλαξίας κινείται προς το μέρος μας, το φως του μετατοπίζεται προς το μπλε, ενώ εάν απομακρύνεται από εμάς το φως του μετατοπίζεται προς το κόκκινο.

Ο γαλαξίας όπως τον είδε το JWST και το ραδιοφάσμα του από το ALMA. Credit: NASA/ESA/CSA/T. Treu, UCLA/NAOJ/T. Bakx, Nagoya U

Ο δεύτερος τρόπος με τον οποίο μπορεί να συμβεί η ερυθρομετάθεση είναι μέσω της κοσμικής διαστολής. Το σύμπαν διαστέλλεται, και αυτό σημαίνει ότι καθώς το φως ταξιδεύει προς εμάς από έναν μακρινό γαλαξία, το μήκος κύματος του “τεντώνεται” από τη διαστολή του χώρου τον οποίο διανύει. Όσο περισσότερο ταξιδεύει το φως τόσο περισσότερο τεντώνεται, άρα τόσο περισσότερο μετατοπίζεται προς το κόκκινο. Αυτή είναι γνωστή ως κοσμολογική ερυθρομετάθεση. Για τους μακρινούς γαλαξίες, όλη σχεδόν η ερυθρομετάθεση που παρατηρούμε είναι κοσμολογική. Έτσι, λοιπόν, γνωρίζουμε ότι οι γαλαξίες που εμφανίζουν υψηλή ερυθρομετάθεση (ή αλλιώς υψηλό z), όπως o συγκεκριμένος που παρατηρήθηκε, βρίσκονται πολύ-πολύ μακριά.

Όμως αυτό, δεν μας δίνει την απόσταση. Για να την προσδιορίσουμε, πρέπει να κοιτάξουμε πώς διαστέλλεται το σύμπαν με την πάροδο του χρόνου. Όμως, σχετικά με τον ρυθμό της κοσμικής διαστολής -ή αλλιώς, την παράμετρο του Hubble- υπάρχει κάποια αβεβαιότητα. Οι παρατηρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου από την αποστολή Planck τοποθέτησαν την τιμή της παραμέτρου κοντά στα 68 (km/s)/Mpc, ενώ οι παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble και της διαστημοσυσκευής Gaia την εμφανίζουν λίγο ψηλότερα, περίπου στα 72 (km/s)/Mpc. Όσο μεγαλύτερη η τιμή, τόσο γρηγορότερα διαστέλλεται το σύμπαν και τόσο μακρύτερα βρίσκονται οι μακρινοί γαλαξίες. Διαλέγοντας την μέση τιμή των 70 (km/s)/Mpc, μπορούμε να υπολογίσουμε μια εύλογη απόσταση χρησιμοποιώντας τη γενική σχετικότητα, όμως ακόμη και τότε η απάντησή μας θα εξαρτηθεί από το πώς ορίζουμε την απόσταση.

Θα μπορούσαμε να ρωτήσουμε πόσο χρόνο χρειάστηκε το φως για να ταξιδέψει από την πηγή σε εμάς, που για τον γαλαξία που συζητάμε είναι περίπου 13,1 δισεκατομμύρια χρόνια. Με το σύμπαν να είναι περίπου 13,46 δισεκατομμυρίων ετών (με βάση την τιμή που επιλέξαμε για την παράμετρο Hubble), κάτι τέτοιο σημαίνει πως το φως ξεκίνησε από τον γαλαξία όταν το σύμπαν ήταν μόλις 360 περίπου εκατομμυρίων ετών. Ένας τέτοιος ορισμός είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για τους αστρονόμους, καθώς οι μακρινοί γαλαξίες μας δίνουν πληροφορίες για το πρώιμο σύμπαν. Για τους αστρονόμους είναι σημαντικότερο να γνωρίζουν τη θέση ενός γαλαξία στην ιστορία παρά την απόστασή του.

Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Το γεγονός, λοιπόν, ότι το φως ταξίδεψε για 13,1 δισεκατομμύρια χρόνια, σημαίνει πως ο συγκεκριμένος γαλαξίας βρίσκεται 13,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά; ΟΧΙ ακριβως! Λόγω της κοσμικής διαστολής, το φως ταξίδεψε πολύ περισσότερο απ’ όσο θα ταξίδευε εάν το σύμπαν δεν διαστέλλονταν. Όταν το φως που καταγράψαμε ξεκίνησε το ταξίδι του, ο γαλαξίας βρισκόταν πιο κοντά σε εμάς. Πολύ πιο κοντά! Για την ακρίβεια, μπορούμε να υπολογίσουμε το πόσο μακριά βρισκόταν ο γαλαξίας αυτός, πριν από 13,1 δισεκατομμύρια χρόνια: 2,4 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Δηλαδή, ο γαλαξίας βρισκόταν μόλις 2,4 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, όμως το σύμπαν επεκτάθηκε τόσο πολύ, που το φως του χρειάστηκε 13,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός για να μας φτάσει.

Φυσικά, θα θέλατε να μάθετε πόσο απέχει ο γαλαξίας αυτός, σήμερα. Τότε βρισκόταν 2,4 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, μόλις όμως το φως του άρχισε να κατευθύνεται προς το μέρος μας, ο ίδιος συνέχισε να απομακρύνεται λόγω της διαρκούς διαστολής του σύμπαντος. Πού βρίσκεται, λοιπόν, τώρα; Κάνοντας τις πράξεις, αποδεικνύεται ότι ο γαλαξίας βρίσκεται σε απόσταση 32 δισεκατομμυρίων ετών φωτός.

Για ένα λεπτό, όμως! Πώς γίνεται να είμαστε σε θέση να δούμε έναν γαλαξία 32 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, εφόσον το σύμπαν είναι μικρότερο από 14 δισεκατομμύρια χρόνια; Η απάντηση είναι ότι ΔΕΝ μπορούμε. Αυτό που είδε το ραδιοσυμβολόμετρο ALMA, είναι το πώς φαινόταν ο γαλαξίας όταν αυτός βρισκόταν μόλις 2,4 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Δεν θα μπορέσουμε ποτέ να δούμε πώς μοιάζει ο γαλαξίας τώρα. Βρίσκεται πολύ μακριά, και το σύμπαν διαστέλλεται πολύ γρήγορα για να μπορέσει να μας φτάσει αυτό το φως. Βλέπουμε μόνο την οπτική ηχώ του πού βρισκόταν και του πώς έμοιαζε, τότε.

Όλα αυτά ακούγονται αρκετά περίεργα, και είναι ικανά να μας φέρουν… πονοκέφαλο! Αυτός είναι και ο λόγος, για τον οποίο οι αστρονόμοι επικεντρώνονται στην ερυθρομετάθεση z. Ο λόγος για τον οποίο συνήθως αναφερόμαστε -και μόνο- στο ποιά ήταν η ηλικία του σύμπαντος όταν το γαλαξιακό φως ξεκίνησε το ταξίδι του. Αυτό, από μόνο του, αρκεί για να μας πει ότι ο γαλαξίας βρίσκεται πολύ μακριά και ότι αυτό που βλέπουμε είναι κάτι από πολύ παλιά.

Πηγή: National Radio Astronomy Observatory (NRAO)
https://public.nrao.edu/

2 σκέψεις στο “Τελικά πόση είναι η απόσταση ενός μακρινού γαλαξία;

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *