С течением времени справа налево эта визуализация показывает образование первых звезд из тумана нейтрального водорода после Космического Рассвета Вселенной.
(Изображение: © NASA / STScI)
Пол Саттер - астрофизик в Университете штата Огайо и главный научный сотрудник научного центра COSI. Саттер также является хозяином Ask a Spaceman и Space Radio и ведет AstroTours по всему миру. Саттер опубликовал эту статью для «Экспертных голосов» Space.com: Op-Ed & Insights.
Возможно, величайшим открытием за последние сто лет изучения вселенной является то, что наш дом меняется и развивается со временем. И не только незначительными, незначительными способами, такими как движение звезд, сжатие газовых облаков и гибель массивных звезд в результате катастрофических взрывов. Нет, весь наш космос неоднократно менял свой фундаментальный характер в далеком прошлом, полностью изменяя свое внутреннее состояние в глобальном, то есть универсальном масштабе.
Взять, к примеру, тот факт, что когда-то в туманном, плохо запоминающемся прошлом не было звезд.
Перед первым светом
Мы знаем этот простой факт из-за существования космического микроволнового фона (CMB), ванны слабого, но постоянного излучения, которое впитывает всю вселенную. Если вы встретите случайный фотон (немного света), есть большая вероятность, что это от CMB - этот свет поглощает более 99,99 процента всей радиации во вселенной. Это пережиток прошлого века, когда Вселенной было всего 270 000 лет, и она превратилась из горячей, кипящей плазмы в нейтральный суп (без положительного или отрицательного заряда). Этот переход испускал раскаленное докрасна излучение, которое в течение 13,8 миллиардов лет охлаждалось и растягивалось в микроволны, давая нам фоновый свет, который мы можем обнаружить сегодня. [Космический микроволновый фон: объяснение реликвии большого взрыва (инфографика)]
На момент выпуска CMB, вселенная была примерно на миллионную часть своего нынешнего объема и на тысячи градусов горячее. Он также был почти полностью равномерным, с разницей в плотности не более 1 части на 100 000.
Так что не совсем то государство, где звезды могли бы счастливо существовать.
Темные века
В миллионы лет после выхода CMB (нежно известного как «рекомбинация» в астрономических кругах из-за исторического недопонимания даже более ранних эпох), вселенная находилась в странном состоянии. Существовала постоянная ванна раскаленного докрасна излучения, но эта радиация быстро остывала, поскольку вселенная продолжала неумолимо расширяться. Конечно, была тёмная материя, тусующаяся по своим делам. И теперь был нейтральный газ, почти полностью состоящий из водорода и гелия, который, наконец, вышел из борьбы с радиацией и был свободен делать то, что хотел.
И то, что ему было приятно делать, - это общаться как можно больше с собой. К счастью, это не должно было работать очень усердно: в чрезвычайно ранней вселенной микроскопические квантовые флуктуации увеличивались, становясь просто небольшими различиями в плотности (и почему это произошло - история для другого дня). Эти крошечные различия в плотности не влияли на большее космологическое расширение, но они влияли на жизнь этого нейтрального водорода. Любой участок, который был немного более плотным, чем средний, даже крошечным, имел немного более сильное гравитационное воздействие на своих соседей. Это усиление притягивало больше газа, чтобы присоединиться к партии, что усиливало гравитационное притяжение, которое поощряло еще больше соседей и так далее.
Как громкая музыка на домашней вечеринке, исполняющая роль сирены, чтобы вдохновить больше гуляк, в течение миллионов лет богатый газ становился все богаче, а бедный - беднее. Из-за простой гравитации крошечные различия в плотности росли, создавая первые массивные скопления вещества и опустошая их окружение.
"Космический рассвет" перерывы
Где-то, где-то, какой-то кусок нейтрального водорода повезло. Укладывая слои на подавляющие слои на себе, внутреннее ядро достигало критической температуры и плотности, объединяя атомные ядра сложным образом, воспламеняясь в процессе ядерного синтеза и превращая сырье в гелий. Этот свирепый процесс также высвободил немного энергии, и в одно мгновение родилась первая звезда.
Впервые с первых дюжин минут Большого взрыва в нашей Вселенной произошли ядерные реакции. Новые источники света, усеивающие космос, затопили некогда пустые пустоты излучением. Но мы не совсем уверены, когда произошло это знаменательное событие; наблюдения этой эпохи чрезвычайно трудны. С одной стороны, огромные космологические расстояния не позволяют даже нашим самым мощным телескопам наблюдать этот первый свет. Что еще хуже, так это то, что ранняя вселенная была почти полностью нейтральной, и нейтральный газ не излучает много света. Только после того, как несколько поколений звезд склеятся, чтобы сформировать галактики, мы можем даже получить смутный намек на этот важный век.
Мы подозреваем, что первые звезды образовались где-то в течение первых нескольких сотен миллионов лет существования Вселенной. Не намного позже у нас есть прямые наблюдения галактик, активных ядер галактик и даже зародышей скоплений галактик - самых массивных структур, которые в конечном итоге возникнут во Вселенной. Когда-то перед ними должны были прибыть первые звезды, но не слишком рано, потому что беспокойные условия детской вселенной предотвратили бы их формирование.
За горизонтом
Хотя грядущий космический телескоп Джеймса Вебба сможет с высокой точностью определять ранние галактики, предоставляя множество данных о ранней вселенной, узкое поле зрения телескопа не даст нам полной картины этой эпохи. Ученые надеются, что некоторые из самых ранних галактик могут содержать остатки самых первых звезд - или даже самих звезд - но нам придется подождать и (буквально) увидеть.
Другой способ открыть космический рассвет - это удивительная причуда нейтрального водорода. Когда квантовые спины электрона и протона случайным образом переворачиваются, водород испускает излучение с очень определенной длиной волны: 21 сантиметр. Это излучение позволяет нам наносить на карту очаги нейтрального водорода в нашем современном Млечном Пути, но экстремальные расстояния до эры космического рассвета представляют совершенно другую проблему.
Проблема в том, что Вселенная расширилась с той давно мертвой эры, которая заставляет все межгалактическое излучение распространяться на более длинные волны. В настоящее время этот первичный сигнал нейтрального водорода имеет длину волны около 2 метров, что обеспечивает надежное размещение сигнала в радиодиапазонах. И многие другие вещи во вселенной - сверхновые, галактические магнитные поля, спутники - достаточно громки на тех же частотах, скрывая слабый сигнал ранних лет существования вселенной.
Есть несколько миссий по всему земному шару, пытающихся использовать этот сочный сигнал космического рассвета, вырвать его исконный шепот из современной какофонии и раскрыть рождение первых звезд. Но сейчас нам просто нужно подождать и послушать.
Узнайте больше, слушая эпизод "Что пробудило космический рассвет?" в подкасте «Спросите космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com. Спасибо Джойс С. за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или следуя указаниям Paul @ PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter. Следуйте за нами @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.
