Z biegiem czasu od prawej do lewej, ta wizualizacja pokazuje powstawanie pierwszych gwiazd z mgły neutralnego wodoru po Kosmicznym Brzasku wszechświata.
(Zdjęcie: © NASA / STScI)
Paul Sutter jest astrofizykiem z Ohio State University i głównym naukowcem w centrum naukowym COSI. Sutter jest także gospodarzem Ask a Spaceman i Space Radio i prowadzi AstroTours na całym świecie. Sutter wniósł ten artykuł do Ekspertów Kosmicznych Space.com: Op-Ed i Insights.
Być może największym objawieniem w ciągu ostatnich stu lat badań wszechświata jest to, że nasz dom zmienia się i ewoluuje z czasem. I to nie tylko w drobny, nieistotny sposób, jak poruszające się gwiazdy, kompresujące się chmury gazu i masywne gwiazdy umierające w wyniku kataklizmicznych wybuchów. Nie, cały nasz kosmos kilkakrotnie zmienił swój fundamentalny charakter w odległej przeszłości, całkowicie zmieniając swój stan wewnętrzny w skali globalnej - to znaczy w skali uniwersalnej.
Weźmy na przykład fakt, że kiedyś w mglistej, źle pamiętanej przeszłości nie było gwiazd.
Przed pierwszym światłem
Znamy ten prosty fakt ze względu na istnienie kosmicznego tła mikrofalowego (CMB), kąpieli słabego, ale uporczywego promieniowania, które przenika cały wszechświat. Jeśli napotkasz losowy foton (trochę światła), istnieje duża szansa, że pochodzi on z CMB - światło to pochłania ponad 99,99 procent całego promieniowania we wszechświecie. Jest to relikt pozostawiony z czasów, gdy wszechświat miał zaledwie 270 000 lat i zmienił się z gorącej, wrzącej plazmy w neutralną zupę (bez dodatniego lub ujemnego ładunku). To przejście uwolniło promieniowanie białe, które w ciągu 13,8 miliarda lat ochłodziło się i rozciągało w mikrofale, dając nam światło tła, które możemy dziś wykryć. [Tło Kosmicznej Mikrofali: Wyjaśnienie Reliktu Wielkiego Wybuchu (Infografika)]
W momencie wypuszczenia CMB wszechświat miał około jednej milionowej swojej obecnej objętości i tysiące stopni gorętszych. Był również prawie całkowicie jednolity, z różnicami gęstości nie większymi niż 1 część na 100 000.
Nie jest to więc stan, w którym gwiazdy mogłyby szczęśliwie istnieć.
Mroczne średniowiecze
W ciągu milionów lat po wydaniu CMB (pieszczotliwie znanej jako „rekombinacja” w kręgach astronomicznych z powodu historycznego nieporozumienia nawet wcześniejszych epok) wszechświat był w dziwnym stanie. Trwała kąpiel gorącego na biało promieniowania, ale promieniowanie to szybko się ochładzało, gdy wszechświat kontynuował swoją nieubłaganą ekspansję. Oczywiście istniała ciemna materia, która spędzała czas, dbając o własny interes. I był teraz neutralny gaz, prawie całkowicie wodór i hel, które w końcu uwolniły się z walki z promieniowaniem i mogły robić, co chciały.
Z przyjemnością spędzał czas z jak największą ilością siebie. Na szczęście nie musiał bardzo ciężko pracować: w niezwykle wczesnym wszechświecie mikroskopijne fluktuacje kwantowe powiększyły się, tworząc jedynie niewielkie różnice w gęstości (i dlaczego tak się stało, to historia na kolejny dzień). Te niewielkie różnice gęstości nie wpłynęły na większą ekspansję kosmologiczną, ale wpłynęły na życie tego neutralnego wodoru. Każda łatka, która była nieco gęstsza niż średnia - nawet niewielka, drobna cząsteczka - miała nieco silniejsze przyciąganie grawitacyjne na sąsiadów. To zwiększone przyciąganie zachęciło więcej gazu do przyłączenia się do partii, co zwiększyło siłę przyciągania grawitacyjnego, co zachęciło jeszcze więcej sąsiadów i tak dalej.
Jak głośna muzyka na imprezie w domu, która działa jak syrena, aby zachęcić więcej biesiadników, w ciągu milionów lat bogaty gaz wzbogacił się, a ubogi gaz stał się uboższy. Dzięki prostej grawitacji rosły niewielkie różnice gęstości, budując pierwsze masywne skupiska materii i opróżniając ich otoczenie.
Przychodzi „kosmiczny świt”
Gdzieś, gdzieś, kawałek neutralnego wodoru miał szczęście. Układając warstwy na przytłaczających warstwach na sobie, najbardziej wewnętrzny rdzeń osiągnął krytyczną temperaturę i gęstość, zmuszając jądra atomowe do siebie w skomplikowany sposób, zapalając się w fuzji jądrowej i przekształcając surowiec w hel. Ten okrutny proces uwolnił również trochę energii i w mgnieniu oka narodziła się pierwsza gwiazda.
Po raz pierwszy od kilkudziesięciu minut Wielkiego Wybuchu w naszym wszechświecie miały miejsce reakcje nuklearne. Nowe źródła światła, rozsiewające kosmos, zalały niegdyś puste przestrzenie promieniowaniem. Ale nie jesteśmy do końca pewni, kiedy miało miejsce to doniosłe wydarzenie; obserwacje tej epoki są niezwykle trudne. Po pierwsze, ogromne odległości kosmologiczne uniemożliwiają nawet naszym najpotężniejszym teleskopom obserwowanie tego pierwszego światła. Co gorsza, wczesny wszechświat był prawie całkowicie neutralny, a gaz neutralny nie emituje dużo światła. Dopiero wiele pokoleń gwiazd sklei się ze sobą, tworząc galaktyki, możemy nawet przyćmić cień tego ważnego wieku.
Podejrzewamy, że pierwsze gwiazdy powstały gdzieś w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat wszechświata. Niedługo potem mamy bezpośrednie obserwacje galaktyk, aktywnych jąder galaktycznych, a nawet początków gromad galaktyk - najbardziej masywnych struktur, które ostatecznie powstają we wszechświecie. Gdzieś przed nimi musiały przybyć pierwsze gwiazdy, ale nie za wcześnie, ponieważ gorączkowe warunki niemowlęcego wszechświata uniemożliwiłyby ich powstanie.
Nad horyzontem
Chociaż nadchodzący Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba będzie w stanie precyzyjnie wskazać wczesne galaktyki, oferując bogactwo danych na temat wczesnego wszechświata, wąskie pole widzenia teleskopu nie da nam pełnego obrazu tej epoki. Naukowcy mają nadzieję, że niektóre z najwcześniejszych galaktyk mogą zawierać pozostałości pierwszych gwiazd - a nawet samych gwiazd - ale będziemy musieli poczekać i (dosłownie) zobaczyć.
Innym sposobem na odblokowanie kosmicznego świtu jest zaskakujące dziwactwo neutralnego wodoru. Kiedy kwantowe spiny elektronu i protonu losowo obracają się, wodór emituje promieniowanie o bardzo określonej długości fali: 21 centymetrów. Promieniowanie to pozwala nam wyznaczyć kieszenie neutralnego wodoru w naszej współczesnej Drodze Mlecznej, ale ekstremalne odległości do ery kosmicznego świtu stanowią zupełnie inne wyzwanie.
Problem polega na tym, że wszechświat rozszerzył się od tamtej epoki od dawna martwej, co powoduje, że całe promieniowanie międzygalaktyczne rozciąga się na dłuższe fale. Obecnie ten pierwotny neutralny sygnał wodoru ma długość fali około 2 metrów, dzięki czemu sygnał jest mocno osadzony w pasmach radiowych. I wiele innych rzeczy we wszechświecie - supernowe, galaktyczne pola magnetyczne, satelity - są dość głośne przy tych samych częstotliwościach, przesłaniając słaby sygnał z wczesnych lat wszechświata.
Na całym świecie jest kilka misji, które próbują odnaleźć ten soczysty kosmiczny świt, wykopać swój pierwotny szept z dzisiejszej kakofonii i ujawnić narodziny pierwszych gwiazd. Ale na razie musimy tylko poczekać i posłuchać.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Co obudziło kosmiczny świt?” w podcastu Ask A Spaceman, dostępnym w iTunes oraz w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Dziękuję Joyce S. za pytania, które doprowadziły do tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @ PaulMattSuttera i facebook.com/PaulMattSutter. Obserwuj nas @Spacedotcom, Facebook i Google+. Artykuł źródłowy na Space.com.
