Laikui bėgant iš dešinės į kairę, ši vizualizacija parodo, kad po Visatos kosminės aušros iš neutralaus vandenilio miglotos pirmosios žvaigždės susiformavo.
(Vaizdas: © NASA / STScI)
Paulius Sutteris yra Ohajo valstijos universiteto astrofizikas ir vyriausiasis mokslininkas COSI mokslo centre. „Sutter“ taip pat yra „Ask a Spaceman“ ir „Space Radio“ šeimininkas ir veda „AstroTours“ visame pasaulyje. Sutteris pridėjo šį straipsnį „Space.com“ tinklalapyje „Expert Voices: Op-Ed & Insights“.
Turbūt didžiausias apreiškimas per pastaruosius šimtą Visatos tyrinėjimo metų yra tas, kad mūsų namai keičiasi ir tobulėja laikui bėgant. Ir ne tik nedideliais, nereikšmingais būdais, pavyzdžiui, judančiomis žvaigždėmis, dujų debesų suspaudimu ir didžiulėmis žvaigždėmis, mirštančiomis kataklizminiuose sprogimuose. Ne, visas mūsų kosmosas tolimoje praeityje ne kartą pakeitė savo pamatinį pobūdį, visiškai pakeisdamas savo vidinę būseną globaliu, tai yra, visuotiniu mastu.
Tarkime, kad vienoje miglotoje ir blogai prisimenamoje praeityje nebuvo žvaigždžių.
Prieš pirmąją šviesą
Mes žinome šį paprastą faktą, nes egzistuoja kosminis mikrobangų fonas (CMB) - silpnos, bet nuolatinės radiacijos vonia, sugerianti visą visatą. Jei susidursite su atsitiktiniu fotonu (šiek tiek šviesos), didelė tikimybė, kad jį pateks iš CMB - ta šviesa užima daugiau nei 99,99 procentus visos visatos spinduliuotės. Tai likusi relikvija nuo tada, kai visatai buvo vos 270 000 metų, ir ji iš karštos, virinančios plazmos perėjo į neutralią sriubą (be jokio teigiamo ar neigiamo krūvio). Šis perėjimas išleido baltai karštą radiaciją, kuri per 13,8 milijardo metų atvėso ir įsitvirtino mikrobangose, suteikdama mums foninę šviesą, kurią galime aptikti šiandien. [Kosminis mikrobangų fonas: paaiškinta didžiojo sprogimo relikvija (infografija)]
CMB išleidimo metu Visata buvo maždaug milijonoji jos dabartinė apimtis ir tūkstančiai laipsnių karštesnė. Ji taip pat buvo beveik vienoda, o tankio skirtumai buvo ne didesni kaip 1 dalis iš 100 000.
Taigi, ne visai tokia būsena, kurioje žvaigždės galėtų laimingai egzistuoti.
Tamsieji amžiai
Per milijonus metų po CMB išleidimo (astronomijos sluoksniuose jis buvo žinomas kaip „rekombinacija“ dėl istorinio net ankstesnių epochų nesusipratimo) Visata buvo keistoje būsenoje. Čia buvo nuolatinė baltai karštos radiacijos vonia, tačiau ši radiacija greitai atvėso, nes Visata tęsė nenumaldomą plėtrą. Be abejo, ten buvo tamsi materija, norėdama paisyti savo verslo. Ir ten buvo dabar neutralios dujos, beveik visiškai vandenilis ir helis, kurios pagaliau buvo paleistos iš kovų su radiacija ir galėjo daryti tai, kas jam patiko.
Ir tai, ką buvo malonu padaryti, buvo pasportuoti su kuo daugiau savęs. Laimei, nereikėjo labai sunkiai dirbti: nepaprastai ankstyvoje visatoje mikroskopiniai kvantiniai svyravimai išsiplėtė ir tapo tik nedideliais tankio skirtumais (ir kodėl tai nutiko, tai yra kitos dienos pasakojimas). Šie maži tankio skirtumai neturėjo įtakos didesniam kosmologiniam išsiplėtimui, tačiau jie turėjo įtakos to neutralaus vandenilio gyvenimui. Bet kuris pleistras, kuris buvo šiek tiek tankesnis nei vidutinis - net ir mažyte, mažyte - turėjo šiek tiek stipresnį gravitacinį potraukį kaimynams. Tas sustiprėjęs traukimas paskatino daugiau dujų prisijungti prie partijos, kuri sustiprino gravitacinį vilkiką, kuris paskatino dar daugiau kaimynų ir pan.
Kaip garsi muzika namų vakarėlyje, dainuojanti kaip sirenos dainą, siekiant paskatinti daugiau apreiškėjų, per milijonus metų turtingos dujos tapo turtingesnės, o skurdžios dujos - skurdesnės. Paprastosios gravitacijos dėka augo nedideli tankio skirtumai, sukurdami pirmąsias masyvias materijos aglomeracijas ir ištuštindami jų apylinkes.
„Kosminė aušra“ nurimsta
Kažkur, kažkur, pasisekė kažkokio neutralaus vandenilio riekė. Pildant sluoksnius ant didžiulių sluoksnių, vidinė šerdis pasiekė kritinę temperatūrą ir tankį, priversdama atominius branduolius sudaryti sudėtingą struktūrą, užsidegti branduolio sintezės metu ir paversti žaliavą heliu. Tas įnirtingas procesas taip pat išleido šiek tiek energijos ir akimirksniu gimė pirmoji žvaigždė.
Pirmą kartą nuo pirmųjų keliolikos Didžiojo sprogimo minučių mūsų Visatoje įvyko branduolinės reakcijos. Nauji šviesos šaltiniai, nurodantys kosmosą, radiaciją užplūdo vienkartines tuštumas. Bet mes nesame tikri, kada įvyko šis reikšmingas įvykis; šios epochos stebėjimai yra nepaprastai sunkūs. Pirma, didžiuliai kosmologiniai atstumai neleidžia net galingiausiems mūsų teleskopams stebėti tos pirmosios šviesos. Dar blogiau yra tai, kad ankstyvoji Visata buvo beveik visiškai neutrali, o neutralios dujos visų pirma neišskiria daug šviesos. Tik tada, kai kelios žvaigždžių kartos suklijuoja galaktikas, galime gauti net silpną šio svarbaus amžiaus užuominą.
Mes įtariame, kad pirmosios žvaigždės susiformavo kažkur per pirmuosius kelis šimtus milijonų Visatos metų. Ne per daug vėliau turime tiesioginius galaktikų stebėjimus, aktyvius galaktikos branduolius ir net galaktikų klasterių pradžią - masiškiausias struktūras, kurios ilgainiui gali atsirasti visatoje. Kažkada prieš juos turėjo atvykti pirmosios žvaigždės, bet ne per anksti, nes drėgnos kūdikių visatos sąlygos būtų užkirtusios kelią jų susidarymui.
Virš horizonto
Nors būsimasis Džeimso Webbo kosminis teleskopas sugebės labai tiksliai nustatyti ankstyvas galaktikas, siūlydamas daugybę duomenų apie ankstyvąją visatą, siauras teleskopo matymo laukas neduos mums viso šios eros vaizdo. Mokslininkai tikisi, kad kai kuriose ankstyviausiose galaktikose gali būti pačių pirmųjų žvaigždžių ar net pačių žvaigždžių likučių, bet mes turėsime palaukti ir (pažodžiui) pamatyti.
Kitas būdas atrakinti kosminę aušrą yra stebinantis neutraliojo vandenilio sūkurys. Kai elektrono ir protono kvantiniai sukiniai atsitiktinai slenka, vandenilis skleidžia labai savito bangos ilgio spinduliuotę: 21 centimetrą. Ši spinduliuotė leidžia mums išsiaiškinti neutralaus vandenilio kišenes šiuolaikiniame Paukščių Take, tačiau ekstremalūs atstumai iki kosminės aušros eros kelia kitokį iššūkį.
Bėda ta, kad Visata išsiplėtė nuo tos seniai mirusios eros, dėl kurios visa tarpgalaktinė spinduliuotė išteka į ilgesnius bangos ilgius. Šiais laikais to pirmykščio neutralaus vandenilio signalo bangos ilgis yra apie 2 metrai, todėl signalas tvirtai išdėstomas radijo juostose. Ir daugelis kitų dalykų Visatoje - supernovos, galaktikos magnetiniai laukai, palydovai - yra gana garsūs tais pačiais dažniais, užtemdami silpną ankstyvųjų Visatos signalų signalą.
Visame pasaulyje yra keletas misijų, kurios bando įsijausti į tą sultingą kosminės aušros signalą, išnaikinti jo pirmykštį šnabždesį iš šių dienų kakofonijos ir atskleisti pirmųjų žvaigždžių gimimą. Tačiau kol kas turėsime tik laukti ir klausytis.
Sužinokite daugiau klausydamiesi epizodo „Kas pažadino kosminę aušrą?“ „Ask A Spaceman“ podcast'e, kurį galite rasti „iTunes“ ir internete http://www.askaspaceman.com. Ačiū Joyce S. už klausimus, kurie paskatino šį kūrinį! Užduokite savo klausimą „Twitter“ naudodami #AskASpaceman arba sekdami Paul @ PaulMattSutter ir facebook.com/PaulMattSutter. Stebėkite mus @Spacedotcom, „Facebook“ ir „Google+“. Originalus straipsnis „Space.com“.
