«Wow! Τι είναι αυτό που βλέπουμε! Πώς είναι τόσο κοντά μας κάτι τόσο μακρινό;» Αυτή ήταν η πρώτη αντίδραση της αστροφυσικού Jeyhan Kartaltepe όταν είδε τις πρώτες φωτογραφίες του Σύμπαντος που έδωσε το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA το περασμένο καλοκαίρι, όπως μου διηγείται η ίδια. Η αμερικανίδα, με καταγωγή από την Τουρκία, επιστήμονας του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Ρότσεστερ (Rochester Institute of Technology, RIT) στην πολιτεία της Νέας Υόρκης είναι μια από τους πρώτους επιστήμονες που χρησιμοποίησε το διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέημς Γουέμπ (James Webb Space Telescope ή JWST) της NASA αμέσως μετά την εκτόξευσή του. Το JWST θεωρείται από πολλούς ως ο ισχυρός διάδοχος του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, με ευαίσθητες κάμερες που συλλέγουν το υπέρυθρο φως και σχεδιάστηκε για να ανιχνεύσει την ιστορία του Σύμπαντος στις πρώτες του στιγμές πριν 13,5 δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτή την εμπειρία της ήρθε να μοιραστεί με το κοινό το πρωινό της 9ης Νοεμβρίου 2022 στο πολιτιστικό κέντρο Radyalsystem στις όχθες του ποταμού Spree, στο ανατολικό Βερολίνο. Ήταν μια από τους επιστήμονες που συμμετείχαν ως προσκεκλημένοι ομιλητές στο συνέδριο Falling Walls Summit 2022, στον ετήσιο θεσμό συνάντησης της επιστήμης με την κοινωνία στο Βερολίνο.
Η αστροφυσικός του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Ρότσεστερ στη Ν. Υόρκη, Jeyhan Kartaltepe
Ένα ομοίωμα του τηλεσκοπίου σε σμίκρυνση είχε στηθεί στην αίθουσα για τις ανάγκες της ομιλίας της Jeyhan Kartaltepe, ενώ η ίδια, που ηλικιακά είναι πολύ νεότερη από όσο νόμιζα, φορούσε στον λαιμό της ένα μενταγιόν από το οποίο κρεμόταν ένα μικροσκοπικό κάτοπτρο του τηλεσκοπίου. Περιέγραψε το ομοίωμα του τηλεσκοπίου και τις δυνατότητές του χαρακτηρίζοντάς το ως “μηχανή του χρόνου” και μίλησε για το ταξίδι του φωτός από το παρελθόν μέχρι σήμερα.
Το ταξίδι των γαλαξιών μέσα στον χρόνο
Η αναπληρώτρια καθηγήτρια στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του RIT, είναι μέλος της ομάδας έρευνας του Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) ενός προγράμματος παρατήρησης που επιλέχθηκε για να επιδείξει, αμέσως μετά την εκτόξευση του JWST, τις μοναδικές δυνατότητές του. Η ομάδα CEERS είναι μία από τις 13 επιστημονικές ομάδες που χρησιμοποίησαν πρώτες το τηλεσκόπιο αξίας 8 δισεκατομμυρίων δολαρίων, συλλέγοντας δεδομένα που διατίθενται άμεσα σε όλους και δοκιμάζοντας τις δυνατότητες των οργάνων του. Η CEERS που συνίσταται από 105 αστρονόμους από 10 χώρες, συμπεριλαμβανομένων 28 πανεπιστημίων των ΗΠΑ, θα χρησιμοποιήσει πολλαπλά όργανα στο διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέημς Γουέμπ και διαφορετικούς τρόπους παρατήρησης. «Είναι μια απόδειξη του πως οι άνθρωποι μεγαλουργούν όταν συνεργάζονται!» σχολιάζει η ίδια.
Η Kartaltepe με μια ακόμη συνάδελφό της, την Caitlιn Casey από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, συντονίζουν το COSMOS-Web, που ένα από τα 286 προγράμματα που επιλέχθηκαν από περισσότερες από 1.000 προτάσεις για το πρώτο έτος της χρήσης του τηλεσκοπίου, γνωστό ως «Κύκλος 1». Κατά τη διάρκεια 218 ωρών παρατήρησης το COSMOS-Web θα πραγματοποιήσει μια φιλόδοξη έρευνα κατά την οποία θα φωτογραφίσει σε πολλαπλά φίλτρα στο κοντινό υπέρυθρο και με την μοναδική διακριτική ικανότητα του JWST μια περιοχή του σύμπαντος η οποία περιέχει σχεδόν μισό εκατομμύριο γαλαξίες. Σχεδόν 32.000 από αυτούς αναμένεται να είναι διακριτοί και στο μέσο υπέρυθρο αποτυπώνοντας για πρώτη φορά το ακριβές τους σχήμα σε αυτή την περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το παραπάνω αποτελεί συνέχεια του ερευνητικού προγράμματος COSMOS που το ξεκίνησε πριν από 20 περίπου χρόνια ο Nick Scoville, διακεκριμένος καθηγητής του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια (Caltech) και το οποίο έχει συλλέξει παρατηρήσεις της συγκεκριμένης περιοχής του ουρανού με σχεδόν όλα τα μεγάλα επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια.
«Αυτή τη βδομάδα δώσαμε στη δημοσιότητα δεδομένα από χιλιάδες γαλαξίες στο κοντινό υπέρυθρο, των οποίων το φως κάνει σχεδόν 300 εκατομμύρια έτη να φτάσει στη Γη», λέει η ίδια, η έρευνα της οποίας επικεντρώνεται στο πώς έχουν εξελιχθεί οι γαλαξίες από το πρώιμο σύμπαν μέχρι σήμερα. Ως επικεφαλής της ομάδας στην έρευνα, ηγείται της επεξεργασίας δεδομένων για ένα από τα όργανα του τηλεσκοπίου και μετρά λεπτομερείς ιδιότητες των γαλαξιών και των πυρήνων τους προκειμένου να διερευνήσει το σχηματισμό άστρων και την ανάπτυξη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο πρώιμο σύμπαν.
«Θέλουμε να δούμε το πώς σχηματίστηκαν μερικοί από τους πρώτους γαλαξίες όταν το σύμπαν είχε λιγότερο από το 5% της τρέχουσας ηλικίας του, κατά τη διάρκεια μιας περιόδου γνωστής ως επαναϊονισμού, αλλά και το πώς αλλάζει η μορφή των γαλαξιών με την πάροδο του χρόνου. Θα πάρουμε λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις μεγάλες δομές ύλης και τις φυσικές συνθήκες των γαλαξιών σε αυτήν την πρώιμη ηλικία του σύμπαντος. Τα δεδομένα που θα συλλέξουμε θα αναδείξουν, θα ελέγξουν και θα επικυρώσουν εξωγαλαξιακές έρευνες στο κοντινό και το μέσο υπέρυθρο», περιγράφει συμπληρώνοντας πως οι αστρονόμοι σε όλο τον κόσμο θα χρησιμοποιήσουν στη συνέχεια τα δεδομένα που παράγονται από την ερευνητική ομάδα της για να προετοιμάσουν τον επόμενο κύκλο παρατηρήσεων με το νέο τηλεσκόπιο.
Το μέγεθος του πεδίου COSMOS στον ουρανό, το οποίο έχει ήδη παρατηρηθεί με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και με κόκκινο το “COSMOS Webb” που θα παρατηρήσει το JWST. Credits: Jeyhan Kartaltepe (RIT); Caitlin Casey (UT Austin); and Anton Koekemoer (STScI) Graphic Design Credit: Alyssa Pagan (STScI)
Η ίδια περιγράφει πως λίγο μετά τη μεγάλη έκρηξη, το σύμπαν ήταν εντελώς σκοτεινό, καθώς τα αστέρια και οι γαλαξίες, που λούζουν τον κόσμο στο φως, δεν είχαν ακόμη σχηματιστεί. Αντίθετα, το σύμπαν αποτελούνταν από μια αρχέγονη σούπα ουδέτερων ατόμων υδρογόνου και ηλίου καθώς και αόρατης σκοτεινής ύλης. Αυτή η περίοδος γραφικά ονομάζεται ως «κοσμικοί σκοτεινοί αιώνες».
Μετά από αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και οι πρώτοι γαλαξίες και το φως που παρήγαν πρόσφερε την απαραίτητη ενέργεια για τον επαναϊονισμό του ουδέτερου αερίου στο πρώιμο σύμπαν. Αυτή η ενέργεια του φωτός ουσιαστικά διέλυσε τα άτομα υδρογόνου που γέμιζαν το σύμπαν, στα συστατικά τους, ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, τα οποία έχουν ίσα και αντίθετα φορτία, τερματίζοντας έτσι τους κοσμικούς σκοτεινούς αιώνες. Αυτή η νέα εποχή όπου το σύμπαν πλημμύρισε με φως ονομάζεται Εποχή Επαναϊονισμού.
«Ο επαναϊονισμός έλαβε χώρα από 400.000 έως 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη. Όταν σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες, δίνοντας την απαραίτητη ενέργεια για τον επαναϊονισμό του πρώιμου σύμπαντος, πιθανότατα αυτό συνέβη σε μικρές περιοχές γύρω από τα πρώτα αστέρια, σχηματίζοντας φυσαλίδες με ιονισμένο υδρογόνο, και όχι ταυτόχρονα σε κάθε σημείο του σύμπαντος. Το COSMOS-Webb στοχεύει να χαρτογραφήσει την κλίμακα αυτών των φυσαλίδων επαναϊονισμού», συμπληρώνει η επιστήμονας.
Σύγκριση δύο εικόνων μια περιοχής του ουρανού η οποία έχει παρατηρηθεί με το Hubble και το JWST το οποίο λόγω της ευαισθησίας του δείχνει πολλούς περισσότερους πιο αμυδρούς μακρινούς γαλαξίες. Credits: NASA, ESA, CSA, and STScI
Οι αστρονόμοι δεν γνωρίζουν καν σε τι είδους γαλαξίες βρίσκονταν τα αστέρια που ξεκίνησαν την Εποχή του Επαναϊονισμού, δηλαδή αν ήταν συστήματα πολύ μεγάλης ή σχετικά χαμηλής μάζας. Το COSMOS-Webb, λόγω του ότι απεικονίζει μια πολύ μεγάλη περιοχή του μακρινού σύμπαντος, έχει μια μοναδική ικανότητα να βρίσκει τεράστιους, σπάνιους γαλαξίες και να αποτυπώνει την κατανομή τους στο χώρο σε δομές μεγάλης κλίμακας. «Οι γαλαξίες που είναι υπεύθυνοι για τον επαναϊονισμό ζουν σχετικά κοντά ο ένας στον άλλο σε έναν σχηματισμό μιας κοσμικής μητρόπολης ή είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι στο διάστημα;», είναι το ερώτημα που απασχολεί. Μόνο μια έρευνα του μεγέθους του COSMOS-Webb μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να απαντήσουν σε αυτό.
Παρατηρήσεις στο υπέρυθρο
Η Kartaltepe έχει πολλούς πρωταγωνιστικούς ρόλους στην έρευνα, εστιάζοντας στη μορφολογία, μετρώντας τα σχήματα και μεγέθη γαλαξιών, μελετώντας πώς εξελίχθηκαν οι δομές τους και δημιουργώντας και αναλύοντας φασματοσκοπικές παρατηρήσεις μακρινών γαλαξιών χρησιμοποιώντας το NIRSpec, ένα όργανο του τηλεσκοπίου. Το πρόγραμμα COSMOS-Webb θα χαρτογραφήσει 0,6 τετραγωνικές μοίρες του ουρανού - περίπου όσο θα κάλυπταν τρεις πανσέληνοι στον ουρανό – με το συγκεκριμένο όργανο του James Webb, ενώ ταυτόχρονα θα χαρτογραφήσει το ένα τρίτο αυτής στο μέσο υπέρυθρο με ένα άλλο όργανο, το MIRI.
«Το JWST μπορεί να παρατηρεί σε υπέρυθρα μήκη κύματος με μεγάλη ευαισθησία επειδή έχει μεγαλύτερο κάτοπτρο από το Hubble. Συλλέγοντας φως στο υπέρυθρο, μπορούμε να δούμε πιο απομακρυσμένους γαλαξίες, και μια που απαιτείται χρόνος για να διανύσει το φως τις τεράστιες αυτές αποστάσεις, ουσιαστικά κοιτάμε πιο πίσω στο χρόνο. Επίσης, επειδή το JWST είναι τόσο ευαίσθητο μπορούμε να δούμε μικρότερους και πιο αμυδρούς γαλαξίες», εξηγεί η ίδια.
Η αστροφυσικός του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Ρότσεστερ στη Ν. Υόρκη, Jeyhan Kartaltepe με τη συντάκτρια του Dnews, Βασιλική Μιχοπούλου
Μέχρι στιγμής, η ομάδα της έχει εντοπίσει ένα ιδιαίτερα συναρπαστικό αντικείμενο που εκτιμάται ότι εμφανίστηκε μόλις 290 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Οι αστρονόμοι προσδιορίζουν την απόστασή του με την μετατόπιση του φωτός που εκπέμπει προς το ερυθρό, το οποίο στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι z~14. «Οι εικόνες που λαμβάνουμε είναι εξαιρετικά ευκρινείς. Βλέπουμε μια ποικιλία γαλαξιών με πολλαπλές μορφές. Αυτές οι εικόνες είναι συναρπαστικές επειδή ο τεράστιος αριθμός αυτών των γαλαξιών με πραγματικά υψηλή μετατόπιση προς το ερυθρό είναι μεγαλύτερος από ό,τι περιμέναμε. Ξέραμε ότι θα βρίσκαμε μερικούς, αλλά δεν φανταζόμασταν τόσους. Πιθανώς το σύμπαν να λειτουργεί λίγο διαφορετικά από ό,τι πιστεύαμε μέχρι τώρα. Θα το δούμε». Η ίδια δηλώνει ότι δεν θα εκπλαγεί πλέον με ό,τι και αν δει, αν και είναι σίγουρη ότι θα δει συναρπαστικά πράγματα.
Η αστροφυσικός εξηγεί ότι οι γαλαξίες αποτελούνται από δύο τύπους ύλης: την κανονική, φωτεινή ύλη που βλέπουμε στα αστέρια και άλλα αντικείμενα και την αόρατη σκοτεινή ύλη, η οποία είναι συχνά πολύ μεγαλύτερης μάζας από την φωτεινή ύλη ενός γαλαξία, δεν βρίσκεται στο κέντρο του και τον περιβάλλει ως μία άλω. Αυτά τα δύο είδη ύλης είναι αλληλένδετα στο σχηματισμό και επιδρούν μαζί στην εξέλιξη των γαλαξιών. Ωστόσο, προς το παρόν δεν υπάρχουν πολλές πληροφορίες για το πώς σχηματίστηκε η σκοτεινή ύλη στην άλω των γαλαξιών και πώς αυτή επηρεάζει τον δημιουργία τους.
Το COSMOS-Webb θα ρίξει φως σε αυτή τη διαδικασία επιτρέποντας στους επιστήμονες να μετρήσουν απευθείας αυτή τη σκοτεινή ύλη μέσω μιας τεχνικής γνωστής ως «ασθενής βαρυτικός φακός». «Επειδή η βαρύτητα είναι ευαίσθητη σε όλα τα είδη ύλης, συμπεριλαμβανομένης της αόρατης σκοτεινής ύλης, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις παραμορφώσεις του φωτός γύρω από τους γαλαξίες για να εκτιμήσουμε την ποσότητα της. Το COSMOS-Webb θα παρέχει σημαντικές πληροφορίες για το πώς έχει εξελιχθεί η σκοτεινή ύλη στους γαλαξίες με το αστρικό περιεχόμενο των γαλαξιών κατά την ηλικία του σύμπαντος».
Με αφορμή την πρόσφατη διαπίστωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα ενός εξωπλανήτη μέσω του τηλεσκοπίου James Webb σε απόσταση περίπου 700 ετών φωτός από τη Γη ρωτάω την αστροφυσικό αν πιστεύει ότι μπορεί στο μέλλον να βρεθεί γόνιμο έδαφος στο Διάστημα για να φιλοξενηθεί η ανθρώπινη ζωή. «Αν και δεν είναι ο τομέας μου, πιστεύω ότι μπορεί να υπάρχει ατμόσφαιρα και σε άλλους πλανήτες. Ποτέ δεν ξέρουμε τι μας επιφυλάσσει το μέλλον».
Ολοκληρώνω αυτή την κουβέντα υπενθυμίζοντάς της ότι πρόσφατα Ευρωπαίοι αστρονόμοι ανακάλυψαν την κοντινότερη στη Γη μαύρη τρύπα που έχει βρεθεί ποτέ, 1.000 έτη φωτός από τον πλανήτη μας, ρωτώντας τη αν πιστεύει ότι υπάρχουν κι άλλες. «Σίγουρα θα υπάρχουν και άλλες, πολλές μαύρες τρύπες διασπαρμένες στο Σύμπαν, αλλά δεν γνωρίζω πόσο κοντά ή πόσο μακριά μπορεί να είναι. Πιθανώς να μας τις φανερώσει το τηλεσκόπιο».
