S časom, ki teče od desne proti levi, ta vizualizacija prikazuje nastanek prvih zvezd iz megle nevtralnega vodika po vesoljski Kozmični zori.
(Slika: © NASA / STScI)
Paul Sutter je astrofizik z ameriške univerze Ohio in glavni znanstvenik v znanstvenem centru COSI. Sutter je tudi gostitelj programa Ask a Spaceman in Space Radio ter vodi AstroTours po vsem svetu. Sutter je ta članek prispeval k strokovnim glasovom Space.com: Op-Ed & Insights.
Morda je največje razodetje v zadnjih sto letih preučevanja vesolja, da se naš dom spreminja in razvija s časom. In to ne le na manjše, nepomembne načine, kot so zvezde, ki se gibljejo okoli, stiskanje plinskih oblakov in masivne zvezde, ki umirajo v kataklizmičnih eksplozijah. Ne, ves naš kozmos je v daljni preteklosti že večkrat spremenil svoj temeljni značaj in popolnoma spremenil svoje notranje stanje v globalnem - torej univerzalnem - obsegu.
Vzemimo za primer dejstvo, da nekoč v megleni, slabo spominjani preteklosti ni bilo zvezd.
Pred prvo lučjo
To preprosto dejstvo poznamo zaradi obstoja kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB), kopeli šibkega, a vztrajnega sevanja, ki namoči celotno vesolje. Če naletite na naključni foton (malo svetlobe), obstaja velika možnost, da prihaja iz CMB - ta svetloba zavzame več kot 99,99 odstotka vsega sevanja v vesolju. To je ostanki relikvije iz časa, ko je bilo vesolje komaj 270.000 let, in so ga iz vroče valjane plazme prehodili v nevtralno juho (brez pozitivnega ali negativnega naboja). Ta prehod je sprostil belo vroče sevanje, ki se je v 13,8 milijarde let ohlajalo in razširilo v mikrovalovne pečice, kar nam je dalo svetlobo v ozadju, ki jo lahko danes zaznamo. [Kozmično mikrovalovno ozadje: Pojasnjena relikvija velikega praska (Infographic)]
V času izida CMB je bilo vesolje približno milijonto svoje sedanje prostornine in za tisoč stopinj vroče. Bila je tudi skoraj povsem enotna, razlike v gostoti niso večje od 1 dela na 100.000.
Torej, ne ravno stanje, kjer bi zvezde lahko srečno obstajale.
Temna doba
V milijonih let po izidu CMB (v astronomskih krogih je bil narodno znan kot "rekombinacija", zaradi zgodovinskega nesporazuma še prejšnjih epoh) vesolje v čudnem stanju. Bila je vztrajna kopel belo vročega sevanja, vendar se je sevanje hitro ohladilo, ko je vesolje nadaljevalo svojo neusahljivo širitev. Seveda je bila temna zadeva, ki se je družila z lastnim poslom. In tam je bil zdaj nevtralen plin, skoraj v celoti vodik in helij, končno sproščen iz svojih bojev z sevanjem in svoboden, da bi naredil, kot mu je bilo všeč.
In kar se je veselilo, je bilo druženje s čim več samega sebe. K sreči ni bilo treba delati zelo težko: v zelo zgodnjem vesolju so se mikroskopska kvantna nihanja povečala in postala le majhne razlike v gostoti (in zakaj se je to zgodilo, je zgodba še en dan). Te majhne razlike v gostoti niso vplivale na večje kozmološke širitve, vendar so vplivale na življenje tega nevtralnega vodika. Vsak en obliž, ki je bil nekoliko gostejši od povprečja - tudi majhen, majhen košček - je imel nekoliko močnejši gravitacijski poteg na sosede. Ta okrepljena vleka je spodbudila več plina, da se je pridružil zabavi, kar je ojačalo gravitacijski vlačilec, kar je spodbudilo še več sosedov in tako naprej.
Tako kot glasna glasba na hišni zabavi, ki deluje kot pesem sirene, da bi spodbudila več razkrivalcev, se je v milijonih let bogati plin obogatil in revni plin je postal slabši. S preprosto gravitacijo so se povečale drobne razlike v gostoti, ki so zgradile prve ogromne aglomeracije snovi in izpraznile svojo okolico.
"Kozmična zora" se zlomi
Nekje, nekje se je nekaj sreče nevtralnega vodika posrečilo. Nakopičene plasti na previsokih plasteh na sebi so v notranjosti jedra dosegle kritično temperaturo in gostoto, zaradi česar so atomska jedra združila v zapletenem vzorcu, vžgala v jedrski fuziji in pretvarjala surovino v helij. Tudi ta srdit proces je sprostil malo energije in v hipu se je rodila prva zvezda.
Prvič po prvih desetih minutah velikega poka so se v našem vesolju odvijale jedrske reakcije. Novi viri svetlobe, ki pikajo kozmos, so poplavili nekoč prazne praznine z sevanjem. Nismo pa ravno prepričani, kdaj se je zgodil ta pomemben dogodek; opažanja te epohe so izjemno težavna. Na primer, velike kozmološke razdalje celo naše najmočnejše teleskope preprečujejo opazovanje te prve svetlobe. Še huje je, da je bilo zgodnje vesolje skoraj popolnoma nevtralno in nevtralni plin sploh ne oddaja veliko svetlobe. Šele ko se več generacij zvezd zlepi skupaj, da tvorijo galaksije, sploh lahko dobimo slab namig na to pomembno starost.
Sumimo, da so se prve zvezde oblikovale nekje v prvih nekaj sto milijonih let vesolja. Šele pozneje imamo neposredna opazovanja galaksij, aktivnih galaktičnih jeder in celo začetke grozdov galaksij - najbolj množičnih struktur, ki se sčasoma pojavijo v vesolju. Nekaj pred njimi so morale priti prve zvezde, vendar ne prezgodaj, saj bi hudi pogoji v otroškem vesolju preprečili njihovo nastajanje.
Čez obzorje
Čeprav bo prihajajoči vesoljski teleskop James Webb lahko z natančnostjo natančno določil zgodnje galaksije in nam ponudil veliko podatkov o zgodnjem vesolju, nam ozko vidno polje teleskopa ne bo dalo celotne slike te dobe. Znanstveniki upajo, da bodo nekatere najstarejše galaksije vsebovale ostanke prvih zvezd - ali celo same zvezde -, vendar bomo morali počakati in (dobesedno) videti.
Drugi način za odklepanje kozmične zore je skozi presenetljivo čudnost nevtralnega vodika. Ko se kvantni vrtljaji elektrona in protona naključno obrnejo, vodik oddaja sevanje zelo specifične valovne dolžine: 21 centimetrov. To sevanje nam omogoča, da preslikamo žepe nevtralnega vodika v sodobni Mlečni poti, vendar skrajne razdalje do dobe kozmične zore predstavljajo v celoti drugačen izziv.
Težava je v tem, da se je vesolje od tiste davno mrtve dobe razširilo, zaradi česar se vse medgalaktično sevanje razteza na daljše valovne dolžine. Danes ima ta prvotni nevtralni vodikov signal valovno dolžino približno 2 metra, s čimer signal trdno oddaja v radijske pasove. In številne druge stvari v vesolju - supernove, galaktična magnetna polja, sateliti - so na istih frekvencah precej glasne, zasenčujejo šibki signal iz vesolja v svojih zgodnjih letih.
Obstaja več misij po vsem svetu, ki poskušajo priskočiti na sočni signal kozmične zore, izkopati njegov prvomajski šepet iz današnje kakofonije in razkriti rojstvo prvih zvezd. Toda za zdaj bomo morali le še počakati in poslušati.
Več o tem v poslušanju epizode "Kaj je prebudilo kozmično zori?" v podkastu Ask A Spaceman, ki je na voljo v iTunesu in na spletu na naslovu http://www.askaspaceman.com. Hvala Joyce S. za vprašanja, ki so vodila do tega dela! Zastavite svoje vprašanje na Twitterju s pomočjo #AskASpaceman ali tako, da sledite Paul @ PaulMattSutter in facebook.com/PaulMattSutter. Spremljajte nas @Spacedotcom, Facebook in Google+. Izvirni članek na Space.com.
