Paremale vasakule kulgedes näitab see visualiseerimine esimeste tähtede moodustumist neutraalse vesiniku udust pärast universumi kosmilist koitu.
(Pilt: © NASA / STScI)
Paul Sutter on Ohio Riikliku Ülikooli astrofüüsik ja teaduskeskuse COSI juhtivteadur. Sutter on ka Ask Spacemani ja kosmoseraadio host ning ta juhib AstroToursi kogu maailmas. Sutter esitas selle artikli Space.comi veebisaidile Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Võib-olla on kõige suurem ilmutus viimase saja aasta jooksul universumi uurimisel see, et meie kodu muutub ja areneb aja jooksul. Ja mitte ainult väiksema tähtsusega, nagu tähed liiguvad, gaasipilved tihendavad ja massilised tähed surevad kataklüsmilistes plahvatustes. Ei, kogu meie kosmos on kauges minevikus korduvalt oma põhiolemust muutnud, muutes täielikult oma sisemist olekut globaalses - see tähendab universaalses - mastaabis.
Võtame näiteks asjaolu, et ühel ajal uduses ja halvasti mäletatud minevikus polnud ühtegi tähte.
Enne esimest valgust
Me teame seda lihtsat fakti kosmilise mikrolaine fooni (CMB) olemasolu tõttu, mis on nõrga, kuid püsiva kiirgusega vann, mis leotab kogu universumit. Kui kohtad juhuslikku footonit (natuke valgust), on suur tõenäosus, et see pärineb CMB-st - see valgus võtab rohkem kui 99,99 protsenti kogu universumi kiirgusest. See on allesjäänud reliikvia, mis pärineb ajast, kui universum oli kõigest 270 000 aastat vana ja see muutus kuumast, keevast plasmast neutraalseks supiks (ilma positiivse ega negatiivse laenguta). See üleminek vabastas valge kuumuse kiirguse, mis 13,8 miljardi aasta jooksul jahutas ja venitas mikrolainetesse, andes meile taustvalgust, mida täna saame tuvastada. [Kosmilise mikrolaine taust: suure paugu reliikvia selgitatud (infograafiline)]
CMB vabastamise ajal oli universum praegusest ruumalast umbes miljon ja tuhandeid kraadi kuumem. Samuti oli see peaaegu täielikult ühtlane, tiheduse erinevused ei olnud suuremad kui 1 osa 100 000-st.
Nii et mitte täpselt riik, kus tähed võiksid õnnelikult eksisteerida.
Pimedad ajastud
Miljonite aastate jooksul pärast CMB (mis on astronoomiaringides tuntud kui rekombinatsioon, mida isegi varasemate ajastute ajaloolise vääritimõistmise tõttu tunti kui rekombinatsiooni) vabanemist oli universum veider. Seal oli püsiv valge-kuuma kiirguse vann, kuid see kiirgus jahtus kiiresti, kui universum jätkas oma vääramatut laienemist. Muidugi oli seal tume asi, et omaenda äri silmas pidada. Ja seal oli nüüdneutraalne gaas, peaaegu täielikult vesinik ja heelium, mis oli lõpuks oma kiirgusvõitlustest vabastatud ja mida ta tegi vabalt.
Ja see, mis tal hea meel oli teha, oli võimalikult suure hulga iseendaga hängida. Õnneks ei pidanud see eriti vaeva nägema: Äärmiselt varases universumis laienesid mikroskoopilised kvant kõikumised, muutudes vaid väikesteks erinevusteks tiheduses (ja miks see juhtus, on lugu juba teist päeva). Need väikesed tiheduse erinevused ei mõjutanud suuremat kosmoloogilist laienemist, kuid mõjutasid selle neutraalse vesiniku elu. Igal ühel keskmisel määral tihedamal plaastril - isegi pisikese pisikese peal - oli naabrite gravitatsiooniline tõmbejõud pisut tugevam. See tugevdatud tõmme julgustas parteisse astuma rohkem gaasi, mis võimendas gravitatsioonipuksiiri, mis julgustas veelgi rohkem naabreid jne.
Nagu valju muusikaga majapeol, mis toimib sireenilauluna, et julgustada rohkem ilmutajaid, sai miljonite aastate jooksul rikas gaas rikkamaks ja halb gaas rikkamaks. Lihtsa gravitatsiooni kaudu kasvasid pisikesed tiheduse erinevused, ehitades esimesed massilised aine aglomeratsioonid ja tühjendades nende ümbrust.
"Kosmiline koidik" puruneb
Kuskil, kuskil, kuskil õnnestus õnneks mõni killuke neutraalset vesinikku. Kihtide peal kuhjates üle sisemise kihi saavutas sisemine tuum kriitilise temperatuuri ja tiheduse, sundides aatomituumad keeruka mustrina kokku, süttima tuumasünteesil ja muundades tooraine heeliumiks. See metsik protsess eraldas ka natuke energiat ja ühe hetkega sündis esimene täht.
Esmakordselt pärast Suure Paugu esimest tosinat minutit toimusid meie universumis tuumareaktsioonid. Uued valgusallikad, täppides kosmose, ujutasid kord tühjad tühjad kiirgusega. Kuid me pole päris kindlad, millal see silmapaistev sündmus aset leidis; selle ajastu vaatlused on erakordselt rasked. Esiteks takistavad suured kosmoloogilised kaugused isegi meie kõige võimsamatel teleskoopidel seda esimest valgust jälgida. Halvemaks teeb asjaolu, et varajane universum oli peaaegu täielikult neutraalne ja neutraalne gaas ei kiirga esiteks palju valgust. Me saame sellest tähtsast ajastust isegi hämara vihje alles siis, kui mitu tähepõlve liimivad end kokku galaktikate moodustamiseks.
Me kahtlustame, et esimesed tähed tekkisid universumi esimese paarsada miljoni aasta jooksul. Pole palju hiljem, kui meil on otseseid vaatlusi galaktikate, aktiivsete galaktiliste tuumade ja isegi galaktikate klastrite alguse kohta - kõige massiivsemad struktuurid, mis universumis lõpuks tekivad. Millalgi enne neid pidid esimesed tähed saabuma, kuid mitte liiga vara, sest imikuuniversumi kiired olud oleksid nende teket takistanud.
Üle silmapiiri
Ehkki tulevane James Webbi kosmoseteleskoop suudab varaseid galaktikaid suurepärase täpsusega kindlaks teha, pakkudes hulgaliselt andmeid varajase universumi kohta, ei anna teleskoobi kitsas vaateväli meile sellest ajastust tervikpilti. Teadlased loodavad, et mõned varaseimad galaktikad võivad sisaldada kõige esimeste tähtede - või isegi tähtede endi - jääke, kuid peame ootama ja (sõna otseses mõttes) nägema.
Teine võimalus kosmilise koidiku avamiseks on neutraalse vesiniku üllatav torkimine. Kui elektroni ja prootoni kvanttihed pöörlevad juhuslikult, kiirgab vesinik väga spetsiifilise lainepikkusega kiirgust: 21 sentimeetrit. See kiirgus võimaldab meil kaardistada neutraalse vesiniku taskud tänapäevases Linnutees, kuid äärmuslikud vahemaad kosmilise koidiku ajastuni on hoopis teine väljakutse.
Probleem on selles, et universum on laienenud pärast seda pikka surnud ajastut, mille tagajärjel kogu galaktikatevaheline kiirgus ulatub pikemate lainepikkusteni. Tänapäeval on selle ürgse neutraalse vesinikusignaali lainepikkus umbes 2 meetrit, asetades signaali kindlalt raadiosagedusala. Ja paljud muud universumi asjad - supernoovad, galaktilised magnetväljad, satelliidid - on samadel sagedustel üsna valjud, varjates universumi algusaastate nõrka signaali.
Ümbermaailmareisil on mitu missiooni, kus üritatakse sellele mahlakale kosmilise koidiku signaalile koju jõuda, kaevata selle ürgne sosin tänapäeva kakofooniast ja paljastada esimeste tähtede sünd. Kuid praegu peame lihtsalt ootama ja kuulama.
Lisateavet saate kuulates episoodi "Mis ärkas kosmilist koitu?" taskuhäälingus Ask A Spaceman, mis on saadaval iTunesis ja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com. Tänu Joyce S.-le küsimuste eest, mis selle tüki juurde viisid! Esitage Twitteris oma küsimus, kasutades #AskASpaceman või jälgides Paul @ PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Jälgige meid @Spacedotcom, Facebook ja Google+. Originaalartikkel Space.com-is.
