Radiatia cosmica de fond este o radiatie electromagnetica la frecvente in gama microundelor, care ajunge pe Pamant cu o intensitate egala in toate directiile. Aceasta este dovada unui eveniment foarte important din istoria universului, care a avut loc la aproximativ 400 000 de ani dupa Big Bang, si anume recombinarea cosmica. La recombinare, electronii si protonii au format atomi de hidrogen, facand astfel universul transparent la radiatii.
Observarea radiatiei cosmice de fond arata ca la recombinarea cosmica universul era extrem de uniform (in afara de fluctuatiile spatiale din densitatea gazului si in forta gravitationala de aproximativ o parte din 100 000). Neomogenitatile primordiale din distributia densitatii au continuat sa creasca si au condus la formarea de galaxii, in vremuri mai recente. Prin urmare, aceste perturbari de mica amplitudine de la recombinare pot fi privite drept conditiile initiale in care s-au format primele galaxii. Dupa aproximativ 30 de milioane de ani de la recombinare au aparut primele surse de lumina – radiatia lor a inceput sa incalzeasca gazul cosmic si, in cele din urma, l-a reionizat (l-a divizat iar in protonii si electronii constituenti). Repercusiunile aparitiei acestor prime galaxii inca sunt o enigma.
Diferitele procese fizice contribuie la cresterea perturbatiilor mici in densitatea si temperatura gazului. Una din proprietatile interesante ale gazului este reprezentata de fluctuatiile sale de temperatura. Analizele anterioare au presupus o viteza spatiala uniforma a sunetului pentru gaz. Aceasta presupunere inseamna ca fluctuatiile densitatii gazului sunt proportionale cu fluctuatiile temperaturii sale, in orice moment dat. A fost calculata cresterea fluctuatiei si s-a demonstrat ca acest calcul revizuit are consecinte importante pentru evolutia gazului cosmic. Calculul revizuit poate fi acum folosit pentru alte procese fizice care au avut loc in momente mai tarzii ale universului, in special in era dupa ce au aparut primele galaxii si dupa ce ele au inceput sa incalzeasca gazul. Presiunea gazului fierbinte s-a opus fortelor gravitationale si a impiedicat formarea unora dintre galaxii.
Calcule privind formarea primelor galaxii
Formarea primelor galaxii din univers a fost studiata timp de multi ani. Cel mai simplu calcul ia in considerare o regiune sferica initial cu o mica imbunatatire a densitatii in comparatie cu universul din fundal. Pe masura ce universul se extinde, supradensitatea se extinde mai lent decat fundalul, datorita atractiei gravitationale, pana cand atinge o raza maxima, dupa care se intoarce si se prabuseste. Au fost efectuate niste calcule mai precise, in care au fost incluse toate ingredientele fizice care sunt cunoscute astazi. Acest lucru are diverse aplicatii, cum ar fi pentru abundenta de galaxii ca o functie de masa in diverse momente, si, cel mai important, pentru formarea primei galaxii din univers.
In ceea ce priveste formarea primei galaxii, s-au efectuat studii intense, utilizandu-se in special calcule care incearca sa simuleze formarea primei galaxii sau stele. Cu toate acestea, chiar si cea mai avansata simulare are o rezolutie prea scazuta (cel putin 11 ordine de magnitudine de la rezolutia dorita) din cauza limitarilor de calcul. Utilizand calculul mentionat mai sus, se poate estima timpul formarii primelor galaxii. Acest lucru include considerente statistice care sunt acum incluse in analiza revizuita.
S-a descoperit ca prima stea observabila s-a format cel mai probabil la 30 de milioane de ani dupa Big Bang (mult mai devreme decat se anticipase inainte). De asemenea, prima galaxie la fel de masiva ca a noastra s-a format cand universul avea doar 400 de milioane de ani. In acele obiecte timpurii, presiunea gazului ar fi putut suprima colapsul gravitational. S-a efectuat un calcul pentru a evalua o scara de caracteristici care descrie cea mai mare masa a carei presiune suprima cresterea. Cu alte cuvinte, presiunea nu poate fi neglijata in cazul maselor mai mici decat aceasta scara. S-a descoperit ca aceasta scara este mai mica decat estimarea anterioara si, prin urmare, efectul de presiune in formarea primelor galaxii este doar un moderat.
Noi studii
Noile observatii facute de-a lungul urmatorilor ani asupra emisiilor provenite de la obiectele mai distante (care inseamna vremuri timpurii in univers) vor ajuta la desfasurarea capitolului din istoria cosmica, in jurul erei primelor galaxii. Aceste observatii vor folosi proprietatile hidrogenului neutru ca un detector al abundentei de hidrogen. Se stie ca hidrogenul neutru emite si absoarbe radiatia din gama undelor radio (mai precis la o lungime de unda de 21 cm, echivalenta cu o frecventa de 1420 MHz). Aceasta radiatie provine de la tranzitia dintre cele doua nivele de energie ale celei mai mici stari de energie a hidrogenului (starea fundamentala).
Inainte ca prima sursa de radiatie sa inceapa sa reionizeze gazul, aparitia gazului neutru ofera o posibilitate de a urmari gazul cosmic, si de a sonda primele surse de radiatii. Intelegerea fizicii in detaliu va ajuta la prezicerea proprietatilor observatiilor de 21 cm si la construirea unui model cosmologic care se potriveste caracteristicilor observate ale universului. Observatiile viitoare de 21 cm vor asigura o mare oportunitate pentru testarea previziunilor oamenilor de stiinta.
VIDEO:
