Laika gaitā no labās uz kreiso pusi šī vizualizācija parāda, kā pēc Visuma Kosmiskās rītausmas neitrāla ūdeņraža miglaini veidojas pirmās zvaigznes.
(Attēls: © NASA / STScI)
Pols Sutters ir Ohaio štata universitātes astrofiziķis un galvenais zinātnieks COSI zinātnes centrā. Sutters ir arī Ask Spaceman un Space Radio uzņēmējs un ved AstroTours visā pasaulē. Sutters pievienoja šo rakstu Space.com ekspertu balsīm: Op-Ed & Insights.
Varbūt vislielākā atklāsme pēdējo simts Visuma izpētes gadu laikā ir tā, ka mūsu mājas ar laiku mainās un attīstās. Un ne tikai nelielos, nenozīmīgos veidos, piemēram, pārvietojoties zvaigznēm, saspiežot gāzes mākoņus, un masīvas zvaigznes, kas mirst kataklizmiskos sprādzienos. Nē, viss mūsu kosmoss tālā pagātnē ir vairākkārt mainījis savu fundamentālo raksturu, pilnībā izmainot tā iekšējo stāvokli globālā, tas ir, universālā mērogā.
Piemēram, ņemiet vērā to, ka savulaik miglainā, slikti atcerētā pagātnē nebija nevienas zvaigznes.
Pirms pirmās gaismas
Mēs zinām šo vienkāršo faktu, jo pastāv kosmiskais mikroviļņu fons (CMB) - vāja, bet noturīga starojuma vanna, kas iemērc visu Visumu. Ja jūs sastopaties ar nejaušu fotonu (nedaudz gaismas), pastāv liela iespēja, ka tas nāk no CMB - šī gaisma aizņem vairāk nekā 99,99 procentus no visa Visuma starojuma. Tā ir paliekas relikvija no brīža, kad Visumam bija tikai 270 000 gadu vecs, un no karstas, ritošās plazmas pārgāja neitrālā zupā (bez pozitīva vai negatīva lādiņa). Šī pāreja izdalīja balto karsto starojumu, kas 13,8 miljardu gadu laikā atdzisa un ievilkās mikroviļņu krāsnī, dodot mums fona gaismu, ko mēs šodien varam noteikt. [Kosmiskais mikroviļņu fons: skaidrojums lielo sprādzienu relikvijām (infografika)]
CMB izlaišanas laikā Visums bija aptuveni viena miljonā daļa no tā pašreizējā apjoma un tūkstošiem grādu karstāks. Tas bija arī gandrīz pilnīgi vienmērīgs, blīvuma atšķirības nebija lielākas par 1 daļu no 100 000.
Tātad, ne gluži stāvoklis, kurā zvaigznes varētu laimīgi pastāvēt.
Tumšie laiki
Miljonu gadu laikā pēc CMB izlaišanas (ko astronomijas aprindās mīlīgi dēvēja par "rekombināciju" vēl agrāku laikmetu vēsturiska neizpratnes dēļ), Visums bija nepāra stāvoklī. Tur bija pastāvīgi karstā baltā starojuma vanna, taču šis starojums ātri atdzisa, kad Visums turpināja savu neizteiksmīgo izplešanos. Protams, bija tumšā matērija, kas žēlojās par savu biznesu. Un tur bija tagad neitrāla gāze, gandrīz pilnībā ūdeņradis un hēlijs, kas beidzot tika atbrīvota no cīņas ar radiāciju un varēja rīkoties tā, kā priecājās.
Un tas, ko tas priecēja darīt, bija pavadīt laiku pēc iespējas vairāk ar sevi. Par laimi tam nebija jāstrādā ļoti smagi: ārkārtīgi agrīnajā Visumā mikroskopiskās kvantu svārstības palielinājās, lai kļūtu tikai par nelielām blīvuma atšķirībām (un kāpēc tas notika, tas ir stāsts par citu dienu). Šīs mazās blīvuma atšķirības neietekmēja plašāku kosmoloģisko izplešanos, taču tās ietekmēja šī neitrālā ūdeņraža dzīvi. Jebkuram plāksterim, kas bija nedaudz blīvāks par vidējo - pat ar niecīgu, niecīgu - kaimiņiem bija nedaudz spēcīgāks gravitācijas spēks. Šī pastiprinātā pievilcība pamudināja vairāk gāzes pievienoties partijai, kas pastiprināja gravitācijas velkoni, kas mudināja vēl vairāk kaimiņu utt.
Līdzīgi kā skaļa mūzika mājas ballītē, kas darbojas kā sirēnu dziesma, lai pamudinātu vēl vairāk atklāsmeņu, miljonu gadu laikā bagātīgā gāze kļuva bagātāka, un sliktā gāze kļuva nabadzīgāka. Pateicoties vienkāršai gravitācijai, pieauga niecīgas blīvuma atšķirības, veidojot pirmās masīvās vielas aglomerācijas un iztukšojot apkārtni.
"Kosmiskā rītausma" sabojājas
Kaut kur, kaut kur, netāla neitrāla ūdeņraža daļai paveicās. Pārklājot slāņus uz lielākajiem slāņiem, iekšējais kodols sasniedza kritisko temperatūru un blīvumu, sarežģītā veidā liekot atomu kodoliem apvienoties, aizdedzoties kodolsintēzes laikā un pārvēršot izejvielu hēlijā. Šis mežonīgais process arī nedaudz atbrīvoja enerģiju, un vienā mirklī piedzima pirmā zvaigzne.
Pirmoreiz kopš Lielā sprādziena pirmajām desmit minūtēm mūsu Visumā notika kodolreakcijas. Jauni gaismas avoti, nosakot kosmosu, vienreiz tukšos tukšumus pārpludināja ar radiāciju. Bet mēs neesam precīzi pārliecināti, kad notika šis nozīmīgais notikums; šīs laikmeta novērojumi ir ārkārtīgi grūti. Pirmkārt, milzīgie kosmoloģiskie attālumi liedz pat mūsu visspēcīgākajiem teleskopiem novērot šo pirmo gaismu. Sliktāku padara tas, ka agrīnais Visums bija gandrīz pilnīgi neitrāls, un neitrāla gāze, pirmkārt, neizstaro daudz gaismas. Tikai tad, kad vairākas zvaigžņu paaudzes salīmē sevi, veidojot galaktikas, mēs pat varam iegūt neskaidru mājienu par šo svarīgo laikmetu.
Mums ir aizdomas, ka pirmās zvaigznes izveidojās kaut kur pirmo dažu simtu miljonu gadu laikā no Visuma. Tas nav daudz vēlāk, ka mums ir tiešie galaktiku, aktīvo galaktisko kodolu novērojumi un pat galaktiku kopu sākumi - masveidīgākās struktūras, kas galu galā rodas Visumā. Kaut kad pirms viņiem bija jāierodas pirmajām zvaigznēm, bet ne pārāk agri, jo drudžaini apstākļi zīdaiņa Visumā būtu ļāvuši neveidoties.
Pār horizontu
Lai gan gaidāmais Džeimsa Veba kosmiskais teleskops spēs precīzi noteikt agrīnās galaktikas, piedāvājot daudz datu par agrīno Visumu, teleskopa šaurā redzeslauks mums nesniegs visu šī laikmeta ainu. Zinātnieki cer, ka dažās agrākajās galaktikās varētu būt pašu pirmo zvaigžņu - vai pat pašu zvaigžņu - paliekas, taču mums būs jāgaida un (burtiski) jāredz.
Otrs veids, kā atslēgt kosmisko rītausmu, ir pārsteidzošs neitrāla ūdeņraža dūriens. Kad elektronu un protonu kvantu griešanās nejauši izkļūst, ūdeņradis izstaro ļoti specifiska viļņa garumu: 21 centimetru. Šis starojums ļauj mums kartēt neitrāla ūdeņraža kabatas mūsu mūsdienu Piena ceļā, bet galējie attālumi līdz kosmiskajam rītausmai rada pavisam citu izaicinājumu.
Problēma ir tā, ka Visums ir paplašinājies kopš tā sen mirušā laikmeta, kura dēļ viss starpgalaktiskais starojums izstiepjas uz garāku viļņu garumu. Mūsdienās šī pirmatnējā neitrālā ūdeņraža signāla viļņa garums ir aptuveni 2 metri, tas signālu stingri ievieto radio joslās. Un daudzas citas lietas Visumā - supernovas, galaktiskie magnētiskie lauki, satelīti - ir diezgan skaļas tajās pašās frekvencēs, aizēnojot vājo signālu no Visuma agrīnajiem gadiem.
Apkārt pasaulei notiek vairākas misijas, kas mēģina pievērsties šim sulīgajam kosmiskās rītausmas signālam, izraut tās pirmatnējo čukstu no mūsdienu kakofonijas un atklāt pirmās zvaigznes. Bet pagaidām mums vienkārši būs jāgaida un jāklausās.
Uzziniet vairāk, klausoties epizodi "Kas pamodināja kosmisko rītausmu?" Podcast apraidē Ask A Spaceman, kas pieejama iTunes un tīmeklī vietnē http://www.askaspaceman.com. Paldies Joyce S. par jautājumiem, kas noveda pie šī skaņdarba! Uzdodiet savu jautājumu čivināt, izmantojot #AskASpaceman vai sekojot Polam @ PaulMattSutter un facebook.com/PaulMattSutter. Sekojiet mums @Spacedotcom, Facebook un Google+. Oriģināls raksts vietnē Space.com.
