З плином часу справа наліво ця візуалізація показує утворення перших зірок із серпанку нейтрального водню після Космічної зорі Всесвіту.
(Зображення: © NASA / STScI)
Пол Саттер - астрофізик Державного університету штату Огайо і головний науковий співробітник наукового центру COSI. Саттер також приймає запитання у космонавта та космічного радіо, а також веде AstroTours по всьому світу. Саттер додав цю статтю до голосів експертів Space.com: Op-Ed & Insights.
Мабуть, найбільше одкровення за останні сто років вивчення Всесвіту - це те, що наш дім змінюється і розвивається з часом. І не лише незначними, незначними способами, такими як зірки, що рухаються навколо, стискаються газові хмари та масивні зірки, що гинуть у катаклізматичних вибухах. Ні, весь наш Космос не раз змінював свій фундаментальний характер у далекому минулому, повністю змінюючи свій внутрішній стан у глобальному - тобто універсальному - масштабі.
Візьмемо, наприклад, той факт, що свого часу у туманному, незагаданому минулому не було зірок.
Перед першим світлом
Ми знаємо цей простий факт через те, що існує космічний мікрохвильовий фон (CMB), ванна слабкого, але стійкого випромінювання, що просочує весь Всесвіт. Якщо ви зіткнулися з випадковим фотоном (трохи світла), є велика ймовірність, що це від КМВ - це світло займає більше 99,99% всього випромінювання у Всесвіті. Це залишилася реліквія від того часу, коли Всесвіту було всього 270 000 років, і переведеного з гарячої плавучої плазми в нейтральний суп (без позитивного чи негативного заряду). Цей перехід випустив розпечене випромінювання, яке протягом 13,8 мільярдів років охолоджувалося і простягалося в мікрохвилі, даючи нам фонове світло, яке ми можемо виявити сьогодні. [Фон космічної мікрохвильовки: пояснено реліквію великого вибуху (інфографіка)]
На момент виходу CMB Всесвіт була приблизно на мільйонну частину свого теперішнього обсягу і на тисячі градусів гарячішою. Він також був майже повністю рівномірним, з різницею щільності не більше 1 частини на 100 000.
Отже, не зовсім такий стан, коли зірки могли б щасливо існувати.
Темні століття
Через мільйони років після виходу КМБ (афективно відомий як "рекомбінація" в астрономічних колах, через історичне непорозуміння ще більш ранніх епох), Всесвіт опинився в дивному стані. Існувала стійка ванна з розпеченим випромінюванням, але це випромінювання швидко охолоджувалося, оскільки Всесвіт продовжувала невблаганне розширення. Безумовно, була темна матерія, яка бавилася з власною справою. І був тепер нейтральний газ, майже повністю водень та гелій, нарешті звільнений від боротьби з радіацією і вільний робити так, як йому заманеться.
І що їй було приємно робити - це тусуватися з якомога більше себе. На щастя, йому не довелося працювати дуже важко: у надзвичайно ранньому Всесвіті мікроскопічні квантові коливання розширилися і стали лише невеликими різницями у щільності (і чому це сталося, це історія на інший день). Ці крихітні перепади щільності не вплинули на більшу космологічну експансію, але вони вплинули на життя цього нейтрального водню. Будь-який патч, який був дещо щільніше середнього - навіть крихітним крихітним шматочком - мав дещо сильніший гравітаційний потяг до своїх сусідів. Це посилене потяг спонукало більше газу приєднатися до партії, що посилило гравітаційний буксир, що спонукало ще більше сусідів тощо.
Як гучна музика на домашній вечірці, яка виступає за пісню сирени, щоб заохочувати більше гуляків, протягом мільйонів років багатий газ збагачувався, а бідний газ ставав біднішим. Завдяки простому гравітації, невеликі перепади щільності зростали, будуючи перші масивні агломерації речовини і випорожнюючи своє оточення.
«Космічний світанок» ламається
Десь, десь, пощастило якомусь шматку нейтрального водню. Складаючи шари на переважні шари на собі, найпотужніше ядро досягало критичної температури та щільності, змушуючи атомні ядра разом за складною схемою, запалюючись в ядерному синтезі і перетворюючи сировину в гелій. Цей лютий процес також звільнив трохи енергії, і мить народилася перша зірка.
Вперше за перші десятки хвилин Великого вибуху у нашому Всесвіті відбулися ядерні реакції. Нові джерела світла, поклавши в космос, залили колись порожні порожнечі радіацією. Але ми не зовсім впевнені, коли сталася ця знаменна подія; спостереження цієї епохи надзвичайно важкі. Для одного, величезні космологічні відстані заважають навіть нашим найпотужнішим телескопам спостерігати за цим першим світлом. Гірше те, що ранній Всесвіт був майже повністю нейтральним, а нейтральний газ в першу чергу не випромінює багато світла. Лише кілька поколінь зірок склеюються між собою, утворюючи галактики, ми навіть можемо отримати тьмяний натяк на цю важливу епоху.
Ми підозрюємо, що перші зірки утворилися десь протягом перших кількох сотень мільйонів років Всесвіту. Не набагато пізніше ми маємо прямі спостереження за галактиками, активними ядрами галактик і навіть за початками скупчень галактик - наймасовіших структур, які з часом виникнуть у Всесвіті. Десь перед ними повинні були прибути перші зірки, але не надто рано, тому що суєтні умови дитячого Всесвіту завадили б їх утворенню.
За горизонтом
Хоча майбутній космічний телескоп Джеймса Вебба зможе точно визначити ранні галактики, пропонуючи безліч даних про ранній Всесвіті, вузьке поле зору телескопа не дасть нам усієї картини цієї епохи. Вчені сподіваються, що деякі найдавніші галактики можуть містити залишки найперших зірок - або навіть самих зірок - але нам доведеться почекати і (буквально) бачити.
Інший спосіб розблокувати космічний світанок - через дивовижну химерність нейтрального водню. Коли квантові спіни електрона та протона випадковим чином перевертаються, водень випромінює дуже специфічну довжину хвилі: 21 сантиметр. Це випромінювання дозволяє нам скласти карту нейтрального водню в сучасному Чумацькому Шляху, але екстремальні відстані до епохи космічного світанку взагалі становлять інший виклик.
Біда в тому, що Всесвіт розширилася з тієї давно мертвої епохи, через що все міжгалактичне випромінювання поширюється на більш довгі хвилі. У наш час цей первинний нейтральний водневий сигнал має довжину хвилі близько 2 метрів, розміщуючи сигнал міцно в радіочастотних смугах. І багато інших речей у Всесвіті - наднови, галактичні магнітні поля, супутники - досить голосні на тих же частотах, затушовуючи слабкий сигнал з ранніх років Всесвіту.
Існує кілька місій по всій земній кулі, які намагаються приєднатись до цього соковитого сигналу космічного світанку, розкопати його споконвічний шепіт із сучасної какофонії та виявити народження перших зірок. Але поки що нам залишиться лише почекати і слухати.
Дізнайтеся більше, прослухавши епізод "Що пробудило космічний світанок?" у подкасті Ask A Spaceman, доступному в iTunes та в Інтернеті за адресою http://www.askaspaceman.com. Дякую Джойс С. за запитання, які призвели до цього твору! Задайте своє власне запитання у Twitter, використовуючи #AskASpaceman або дотримуючись Пола @ PaulMattSutter та facebook.com/PaulMattSutter. Слідкуйте за нами @Spacedotcom, Facebook та Google+. Оригінальна стаття на Space.com.
