С течение на времето отдясно на ляво тази визуализация показва образуването на първите звезди от маранята на неутрален водород след Космическата зора на Вселената.
(Изображение: © NASA / STScI)
Пол Сътър е астрофизик в Държавния университет в Охайо и главен учен в научния център COSI. Sutter също е домакин на Ask a Spaceman и Space Radio и води AstroTours по целия свят. Sutter допринесе тази статия за експертните гласове на Space.com: Op-Ed & Insights.
Може би най-голямото разкритие за последните сто години изучаване на Вселената е, че домът ни се променя и се развива с времето. И не само по незначителни, незначителни начини като звезди, които се движат наоколо, газови облаци се компресират и масивни звезди умират при катаклизмени експлозии. Не, целият ни космос е променил своя фундаментален характер неведнъж в далечното минало, променяйки изцяло своето вътрешно състояние в глобален - тоест универсален - мащаб.
Вземете, например, факта, че по едно време в мъгливото, незапомнено минало, нямаше звезди.
Преди първата светлина
Ние знаем този прост факт поради съществуването на космическия микровълнов фон (CMB), баня от слаба, но упорита радиация, която напоява цялата Вселена. Ако срещнете произволен фотон (малко светлина), има голям шанс той да е от CMB - тази светлина поема повече от 99,99% от цялата радиация във Вселената. Това е остатъчна реликва от времето, когато Вселената е била едва на 270 000 години, и е преминала от гореща, навита плазма в неутрална супа (без положителен или отрицателен заряд). Този преход пусна бяло-гореща радиация, която в течение на 13,8 милиарда години се охлаждаше и се простираше в микровълните, давайки ни фонова светлина, която можем да открием днес. [Космически микровълнов фон: Обяснен е репликата на Големия взрив (Инфографика)]
По време на пускането на CMB, Вселената беше около една милионна от сегашния си обем и хиляди градуси по-гореща. Той също беше почти изцяло равномерен, с разлики в плътността не по-големи от 1 част на 100 000.
Така че, не точно състояние, в което звездите биха могли да съществуват щастливо.
Тъмните векове
През милионите години след освобождаването на CMB (афективно известна като "рекомбинация" в астрономическите кръгове, поради историческо неразбиране на още по-ранни епохи), Вселената беше в странно състояние. Имаше постоянна вана с бяло горещо лъчение, но тази радиация бързо се охлаждаше, тъй като Вселената продължава неумолимото си разрастване. Разбира се, имаше тъмна материя, която се мотаеше със собствения си бизнес. И там беше сега неутралният газ, почти изцяло водород и хелий, най-накрая освободен от борбите си с радиация и свободен да прави както си иска.
И това, което удоволствието му беше да се мотае с колкото се може повече от себе си. За щастие, не трябваше да работи много усилено: В изключително ранната вселена микроскопичните квантови колебания се увеличиха, за да станат само малки разлики в плътността (и защо това се случи е история за друг ден). Тези малки разлики в плътността не повлияха на по-голямото космологично разширяване, но те се отразиха върху живота на този неутрален водород. Всяка една лепенка, която беше малко по-гъста от средната - дори и от мъничко, мъничко - имаше малко по-силно гравитационно дърпане на съседите си. Това засилено дърпане насърчи повече газ да се присъедини към партията, което усили гравитационния влекач, което насърчи още повече съседи и т.н.
Подобно на силната музика на домашно парти, действащо като песен за сирената, за да насърчи повече разкривачи, в течение на милиони години богатият газ стана по-богат, а бедният газ - по-беден. Чрез обикновената гравитация, малките разлики в плътността нарастваха, изграждайки първите масивни агломерации на материята и изпразвайки заобикалящата ги среда.
"Космическата зора" се разпада
Някъде, някъде, късмет от неутрален водород получи късмет. Натрупвайки слоеве върху огромни слоеве върху себе си, най-вътрешната сърцевина достигна критична температура и плътност, принуждавайки атомните ядра заедно по сложен модел, запалвайки се при ядрен синтез и превръщайки суровината в хелий. Този свиреп процес също отдели малко енергия и в един миг се роди първата звезда.
За първи път след първите десетина минути от Големия взрив ядрените реакции се проведоха във нашата Вселена. Нови източници на светлина, осеящи Космоса, заляха някога празните празнини с радиация. Но не сме точно сигурни кога се е случило това знаменито събитие; наблюденията на тази епоха са изключително трудни. От една страна, огромните космологични разстояния пречат дори на най-мощните ни телескопи да наблюдават тази първа светлина. Това, което го влошава е, че ранната Вселена е била почти изцяло неутрална, а неутралният газ не излъчва много светлина на първо място. Едва когато няколко поколения звезди се слепят заедно, за да образуват галактики, ние дори можем да получим мрачен намек за тази важна епоха.
Подозираме, че първите звезди са се образували някъде в рамките на първите няколкостотин милиона години от Вселената. Не е много по-късно, че имаме директни наблюдения на галактики, активни галактически ядра и дори началото на струпвания на галактики - най-масивните структури, които в крайна сметка ще възникнат във Вселената. Някъде преди тях трябваше да пристигнат първите звезди, но не твърде рано, защото забързаните условия на детската вселена биха попречили на тяхното формиране.
Над хоризонта
Въпреки че предстоящият космически телескоп Джеймс Уеб ще може да определи ранните галактики с отлична точност, предлагайки множество данни за ранната вселена, тясното зрително поле на телескопа няма да ни даде цялата картина на тази епоха. Учените се надяват, че някои от най-ранните галактики може да съдържат останки от най-първите звезди - или дори самите звезди - но ще трябва да почакаме и (буквално) да видим.
Другият начин за отключване на космическата зора е чрез изненадваща странност от неутрален водород. Когато квантовите завъртания на електрон и протон произволно се обърнат, водородът излъчва лъчение с много специфична дължина на вълната: 21 сантиметра. Това излъчване ни позволява да начертаем джобовете с неутрален водород в съвременния Млечен път, но екстремните разстояния до ерата на космическата зора представляват съвсем друго предизвикателство.
Проблемът е, че Вселената се е разширила от онази отдавна мъртва ера, което кара всички междугалактични лъчения да се простират до по-дълги вълни. В наши дни този първичен неутрален водороден сигнал има дължина на вълната около 2 метра, поставяйки сигнала здраво в радиочестотните ленти. И много други неща във Вселената - свръхнови, галактически магнитни полета, спътници - са доста силни при същите честоти, затъмнявайки слаб сигнал от ранните години на Вселената.
Има няколко мисии по целия свят, които се опитват да влязат в този сочен сигнал за космическа зора, да разкопаят първоначалния си шепот от днешната какофония и да разкрият раждането на първите звезди. Но засега просто ще трябва да чакаме и да слушаме.
Научете повече, като слушате епизода "Какво събуди космическата зора?" в подкаста Ask A Spaceman, достъпен в iTunes и в мрежата на http://www.askaspaceman.com. Благодаря на Джойс С. за въпросите, довели до това парче! Задайте собствения си въпрос в Twitter, като използвате #AskASpaceman или като следвате Paul @ PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter. Следвайте ни @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинална статия на Space.com.
