Prima generație de stele din Cosmos – explicată pe înțelesul tuturor de fizicianul de top Cristian Presură

“Astrofizica mă face să trăiesc ‘copilăria cosmosului’ ca pe copilăria mea. Acum, că știu să ‘citesc’ figura de mai jos, mă uit la ea așa cum mă uit la o poză cu bunica. De ce? Pentru că figura reprezintă o ‘semnătură’ clară a primei generații de stele din Cosmos”, scrie cunoscutul cercetător Cristian Presură pe pagina sa de Facebook.

Cristian Presură este fizician, cercetător la compania Philips, în Olanda, și autor al lucrării “Fizica Povestită”.

Povestea primei generații de stele din Cosmos – scrisă de Cristian Presură:

Astrofizica mă face să trăiesc “copilăria cosmosului” ca pe copilăria mea. Acum, că știu să “citesc” figura de mai jos, mă uit la ea așa cum mă uit la o poză cu bunica. De ce? Pentru că figura reprezintă o “semnătură” clară a primei generații de stele din Cosmos.

Partea de sus a graficului ne spune că ele au apărut la ~170 milioane de ani după Big Bang și s-au stins la ~300 milioane de ani. Vreți să “citiți” poza cu mine? Nu e ușor, am scris cam mult. Să-i dăm drumul (din https://goo.gl/3iFDKP)

1) Galaxia conține gaz de hidrogen rarefiat (cred că un atom pe milimetru cub, în medie). În starea de bază, spinul electronului și al protonului sunt opuse. În prima stare excitată, spinii au aceeași orientare (https://goo.gl/BXQsur). Dacă atomii se excită din varii motive (temperatură, etc.), ei se dezexcită apoi emițând o radiație cu energia egală cu diferența dintre cele două niveluri: 1420 MHz (cunoscută și “linia de 21 cm” într-o altă unitate). Astrofizicienii au folosit radiația asta pentru a măsura brațele galaxiei (prin efectul Doppler)

2) La aproape 300.000 de ani după Big Bang, s-a format radiația de fond, cea pe care o vedem azi în domeniul microundelor. Atunci au apărut primii atomi neutri de hidrogen.

3) La aproape 150 de milioane de ani după Big Bang, au apărut primele stele. Cu radiația lor ultravioletă puternică, ele au crescut puterea de absorbție a atomilor de hidrogen care se află acolo. Partea din radiația de fond care avea atunci în jur de 1420 MHz (“linia de 21 cm”) a început să fie absorbită puternic. Efectul a durat până când stelele acelea primordiale s-au stins (prin explozii de supernove, cred) și au apărut următoarele generații de stele (mai mici și care durează mai mult, din fericire).

4) În tot timpul ăsta, datorită dilatării spațiului, radiația de fond a avut și deplasare spre roșu, adică s-a mutat într-un domeniu de frecvențe mai scăzute. Practic, un set diferit de frecvențe din radiația de fond a ajuns să fie absorbită de atomii de hidrogen afectați de radiația violetă, fiecare având la momentul absorbției 1420 MHz.

5) Dilatarea spațiului a continuat și după ce au dispărut acele stele prime strălucitoare. Partea de spectru a radiației de fond afectată se află azi între 60 Mhz și 100 MHz. Aici trebuie să găsim o absorbție (o “vale”) în spectrul radiației de fond. Partea aceasta a fost absorbită de atomii de hidrogen afectați de radiația ultravioletă a primelor stele. Asta și găsim! Este poza de mai sus, însa autorii nu au mai pus MHz (scriu în articol). Deci absorbția începe de la 60Mhz și se termină pe la 100 Mhz. Poza de mai sus este “semnătura” primelor stele din Cosmos!

6) Pe axa de deasupra, autorii au pus timpul, luând în calcul dilatarea spațiului și deplasarea spre roșu a radiației de fond. Se vede clar cum primele stele s-au născut în jurul anilor 170 milioane după Big Bang și au dispărut la anul 300 de milioande după Big Bang.

7) Amplitudinea absorbției este de aproape 0.5 Kelvin, destul de mare (radiația de fond are 2,7 Kelvin). În articol, se menționează că amplitudinea absorbției este de două ori mai mare decât predicția teoretică a modelului cosmologic actual. Ei se plâng de asta… What? Le iese doar un factor de 2 diferență? Jos palaria!

8) Factorul de 2 înseamnă că, cel mai probabil, gazul de hidrogen era mai rece decât prezice modelul standard actual. Autorii bănuiesc materia întunecată, care avea alte proporții. Alți autori spun că atunci n-ar fi fost deloc materie întunecată (https://goo.gl/YzKB7W). Mă rog, detalii. Personal, nu cred. Modelul actual prezice prea bine celelalte date experimentale, cred că e altceva la mijloc.

Despre Cristian Presură:

Cristian Presură s-a născut în 1971 la Voineasa şi a urmat studiile facultăţilor de electrotehnică şi fizică. A lucrat la Institutul de Fizică Atomică, unde s-a ocupat de instalaţii electrice şi a studiat proprietăţile laserilor cu medii active solide. În 2002 a obţinut doctoratul în fizică la Universitatea Groningen, Olanda, unde a caracterizat proprietăţile optice ale sistemelor corelate de electroni. Rezultatele sale s-au concretizat în lucrări publicate în reviste de specialitate: Physical Review B, Physical Review Letters şi Science. În prezent este cercetător la compania Philips, Olanda. S-a specializat în domeniul senzorilor medicali. Împreună cu echipa sa, a inventat şi introdus pe piaţă primul ceas capabil să măsoare pulsul sportivilor numai pe baza senzorilor optici. A publicat mai multe zeci de lucrări şi brevete de invenţie. Cristian Presură are o activitate intensă de popularizare a ştiinţei în limba română, scriind articole pentru ziare şi reviste. Este membru al asociaţiei cercetătorilor români Ad Astra şi fondator al asociaţiei Ştiinţă pentru Toţi, prezentă la adresa stiinta.club.