Cum s-au născut galaxiile?

Una dintre marile întrebări ale cosmologiei actuale priveşte formarea galaxiilor. De ce materia din Univers este aglomerată în galaxii? De ce ea nu este distribuită uniform în Univers, ca un nor de praf, ci formează aglomerări precum galaxiile? Un astfel de răspuns este foarte preţios, pentru că pe baza lui se poate încerca şi o explicaţie privind formarea stelelor şi a planetelor. Cercetătorii au căutat să înţeleagă ce factor esenţial a intervenit în istoria Universului. Prin ce proces materia s-a comprimat în anumite zone din spaţiu, pentru a forma aglomerările imense de praf şi gaz, din care au apărut, mai apoi, galaxiile? Cum se explică formarea acestor prime aglomerări de praf?

În 2006, utilizând metoda spectroscopiei (analiza semnalelor luminoase emise de corpurile cereştri), cercetătorii au detectat o galaxie de dimensiuni foarte mici, care se află abia în stadiul exploziilor de formare a stelelor. Galaxia aceasta este relativ apropiată de Pământ şi are câteva caracteristici ce oferă multe avantaje observatorilor de pe Pământ, pentru că este foarte asemănătoare cu galaxiile vechi şi foarte îndepărtate de Pământ, care se pot observa cu destul de multă dificultate.

Galaxiile de mici dimensiuni sunt slab structurate, având largi porţiuni de gaz şi un număr mult mai mic de stele (câteva miliarde, în comparaţie cu 150 sau 200 de miliarde cât sunt estimate a fi în Calea Lactee). Actualul model cosmologic explică formarea galaxiilor mari prin aglomerarea mai multor galaxii mici, scenariul formării unei galaxii fiind, de la un anumit punct încolo, destul de simplu. Odată apărut, un nor de gaz protogalactic va fi comprimat de gravitaţie. Deodată cu această comprimare a norului, apare şi o mişcare de rotaţie care va agrega şi mai mult materialul galactic. Ulterior, rotaţia şi comprimările gravitaţionale ale norului protogalactic, dar şi proprietăţile materiei existente aici vor face posibilă formarea stelelor. Însă de ce gazul şi praful din zonele întinse de gaz se strânge în nori protogalactici?

Minusculii atomi determină formarea galaxiilor gigantice

Comparativ cu celelalte galaxii mici, cunoscute până acum, Haro 11 este situată considerabil mai aproape de Pământ (281 de millioane de ani de lumină). Din acest motiv, observaţiile pot oferi mult mai multe date precise despre galaxiile care au existat la începutul Universului. Rezultatele arată că un anumit proces de ionizare a gazului protogalactic este extrem de important în înţelegerea evoluţiei structurii aglomerărilor de materie din perioada timpurie a Universului. Potrivit observaţiilor, la nivelul atomic se „decide“ cât de grele vor fi componentele moleculare ale gazului, şi în funcţie de aceasta, norul putând fi (sau nu) „prelucrat“ de gravitaţie.

Cercetătorii cred acum că, în zonele întinse din spaţiu, marile aglomerari de gaz pot fi comprimate mai uşor, dacă elementele din care sunt compuse sunt ionizate. Aşadar, un aspect particular extrem de mic, ce se petrece la o scară inimaginabil de mică, în starea atomilor din gazul proto-galaxiilor (ionizarea), determină formarea norilor gigantici de gaz, din care se nasc aglomerări de stele cu dimensiuni de mii de ani lumină. „Istoria“ unui detaliu minuscul, precum cel al ionizării atomilor din gazul galaxiilor, are relevanţă şi pentru procesul de formare al primelor stele din Univers, dar şi pentru înţelegerea proceselor prin care au început să strălucească ele.

În prezent, Universul actual este dominant de radiaţii ionizate. Ionizarea, în opinia curentă, s-a petrecut în perioada de început, când primele stele şi galaxii erau în formare. Detaliile acestui proces de ionizare au fost mult timp neclare. Observaţiile efectuate pe galaxia Haro 11 au arătat că, în prezent, există încă şanse pentru observaţii legate de aceste procese care să lămurească etapele foarte timpurii din formarea primelor galaxii. Unele galaxii mici, precum Haro 11, „povestesc“ din nou multe din procesele de început ale Universului, care altfel ar rămâne complet inaccesibile investigaţiei directe.

Harta galaxiilor din univers a fost trasată înainte de apariţia lor

Însă nu doar ionizarea gazului a hotărât agregarea gazului în nori protogalactici. Cosmologii de la Universitatea Durham au dat publicităţii unele rezultate, potrivit cărora formarea primelor stele a depins foarte strâns şi de natura materiei întunecate. Folosind modele computaţionale sofisticate, construite pe baza teoriilor cosmologice curente, ei au arătat că formarea primelor galaxii şi stele a fost strâns legată de structuri gigantice de materie întunecată, asemănătoare unor filamente. În „culoarele“ acestea de materie întunecată, gazul a fost suficient de mult comprimat, pentru a determina apariţia stelelor.

Curând după apariţia Universului, au existat foarte probabil două forme de materie întunecată. Materia întunecată rece a determinat apariţia unor mari aglomerări de gaz, din care s-au format gigantice stele izolate. În contrast cu această situaţie, materia întunecată, mai fierbinte, a determinat formarea unor filamente gigantice de materie întunecată, în făgaşul cărora s-au agregat baloane de gaz, care au dat naştere unui număr foarte mare de stele mari şi mici, dispuse în configuraţii pe care astăzi le numim galaxii. Aşadar, galaxiile nu au apărut oriunde în Univers. Dispunerea lor a fost hotărâtă dinainte, de structura culoarelor de materie întunecată. Filamentele acestea, întinse pe distanteţe de 9-10 mii de ani lumină (dimensiuni comparabile cu cele ale galaxiilor), au dominat, foarte probabil, perioada de început a Universului. Simulările mai arată că şi găurile negre gigantice, dispuse de regulă în centrul galaxiilor, ar fi rezultatul colapsului unui număr foarte mare de stele din filamentele de materie întunecată. Colapsul ar putea fi explicat, spun cercetătorii, tocmai prin aceea că designul filamentelor de materie întunecată a determinat agregarea aştrilor din anumite porţiuni întinse, pentru formarea găurilor negre atât de mari (până la un miliard de mase solare). (O astfel de gaură neagră este cea din centrul Căii Lactee. Observaţii repetate au pus în valoarele efectele prezenţei ei, însă formarea acestui tip de găuri negre este încă insuficient explicată.) Rezultatele, deşi obţinute prin intermediul unor simulări computerizate, sunt deosebit de semnificative întrucât, până de curând, se considera că materia întunecată era responsabilă doar de designul actual al Universului. Aceste noi date sugerează că materia întunecată a avut un rol hotărâtor încă din stadiul timpuriu al Universului, determinând dispunerea stelelor în aglomerări mari, precum galaxiile, formarea stelelor izolate, dar şi colapsul unor mari regiuni cu stele în găuri negre gigantice.

Filamentele de materie întunecată par să aibă, aşadar, un rol determinant în formarea Universului. Cu toate acestea, materia întunecată este încă prea puţin cunoscută. Chiar şi după mai mult de 70 de ani de la primele ipoteze privind existenţa ei şi cu toate preocupările intense pentru elucidarea structurii şi proprietăţilor ei.

▲ Ionii - atomi dispuşi să facă legături

Multe dintre lucrurile pe care le întâlnim în experienţa directă sunt făcute din atomi. Cât timp este neutru electric (numărul de sarcini – electroni coincide cu numărul de protoni din nucleu), atomul nu formează legături cu alţi atomi. Ionizarea este procesul fizic ce însoţeste reacţiile foto-chimice. Prin intermediul acestui proces, atomii pierd electroni. În acest mod, elementele (iniţial neutre electric) sunt transformate în ioni (elemente ce posedă sarcină pozitivă sau negativă). Ionii, fiind elemente cărora le „lipsesc“ sau le „prisosesc“ electroni, formează mult mai uşor legături. „Punând în comun“ electroni, atomi cu sarcină pozitivă (cu electroni mai mulţi) şi atomii cu sarcină negativă realizează legăturile moleculare.