Почему недостаточно «дать свету» во Вселенной.
«Думайте о красоте жизни. Смотри на звезды и представь, как ты бежишь вместе с ними». - Марк Аврелий
Я хочу, чтобы вы представили ночное небо таким, каким вы его знаете. Вдали от городов, безлунной ночью, в самых темных местах, которые вы когда-либо видели. Может быть, вы лежите на траве и смотрите в небо над головой. Смотришь вверх, воздух прохладный, небо чистое, облаков не видно вообще.
Что вы, скорее всего, увидите?
Да, есть планеты, звезды яркие и тусклые, и даже Млечный Путь над головой. Но, возможно, самое поразительное в ночном небе - это не присутствие этих немногих рассеянных огней, а тот факт, что - почти в любом месте, куда вы можете указать - само небо темное.
Если вы задумаетесь об этом на минуту, то не имеет особого смысла, что это должно иметь место.
Если бы Вселенная была действительно, действительно полна звезд - точек света во всех направлениях - тогда вы вполне могли бы ожидать, что куда бы вы ни смотрели, в любом направлении, в конечном итоге ваша линия обзора врезаться в звезду.
И как только это произойдет, вы не увидите «темноту» везде, куда бы вы ни посмотрели. Каждая точка, в конце концов, будет наполнена светом, независимо от того, насколько далеко находится эта звезда, галактика или другая светящаяся точка.
Это был один из величайших парадоксов 19-го века: парадокс Ольберса, который показал, что идея бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, разбросанных по этому пространству, несовместима с темным ночное небо, которое мы все могли видеть.
Разрешение этого парадокса, конечно же, состоит в том, что когда мы смотрим на далекую Вселенную, мы на самом деле оглядываемся назад во времени, и поскольку Вселенная существовала в горячем, плотном, более однородном Государство, было время, до которого во Вселенной не было звезд, поскольку гравитации потребовалось время, чтобы начать коллапсировать этот первичный газ в звезды в самый первый раз. Посмотрите дальше определенного расстояния, и вы никогда не увидите ни единой звезды.
После Большого взрыва Вселенная была горячей, плотной и однородной, но также расширялась и охлаждалась. К тому времени, когда Вселенной будет около 380 000 лет, она достаточно остынет, чтобы впервые сформировать нейтральные атомы. Но есть два препятствия для того, чтобы увидеть что-либо:
- Ничего не видно, пока мы не начнем создавать что-то, что излучает свет.
- Даже если вы это сделаете, Вселенная должна стать прозрачной.
Хотя эти две проблемы - образование первых звезд и прозрачность Вселенной - часто объединяют как "темные века", это две отдельные проблемы, которые Вселенная должна решить.
Во-первых, вам просто не на что смотреть, пока вы не сформируете звезды в первый раз. Хотя Вселенная изначально была почти идеально однородной, в ней есть крошечные несовершенства, в том числе некоторые области, в которых материи немного больше, чем в среднем. Со временем гравитация притягивает все больше и больше материи в эти сверхплотные области, превращая их в комки материи.
На это уходят десятки миллионов лет, но по прошествии достаточного количества времени эти глыбы становятся достаточно большими, чтобы гравитация начала разрушать их под действием собственной гравитации. И когда ядра этих сгустков атомов и молекул станут достаточно плотными, наконец-то может произойти процесс ядерного синтеза - сжигания водородного топлива в гелий - !
Эти места ядерного синтеза становятся ядрами самых первых звезд во Вселенной, горят ярко и ярко и излучают первый видимый свет, который Вселенная видела с первых стадий горячего Большого взрыва.
Это происходит по прошествии всего 50 миллионов лет истории Вселенной, невероятно короткое время до появления первых звезд.
Но есть проблема: ни одна из этих звезд на самом деле нам не видна!
Конечно, звезды излучают свет, но также и звезды за «темной туманностью» наверху, Барнард 68. Эта туманность кажется такой темной, потому что свет от звезд блокируется! Почему это? Потому что существующие там атомы и молекулы имеют правильный физический размер, чтобы поглощать - и, следовательно, кажутся непрозрачными - для видимого света.
Хотя у отдельных атомов есть только определенные атомные переходы, при которых они могут поглощать свет, когда они связаны друг с другом во всевозможных сложных конфигурациях, они фактически могут блокировать весь спектр видимого света. И именно этот тип непрозрачности произойдет, когда сформируются первые звезды: Вселенная может создавать свет, но он никак не может добраться до наших глаз.
Итак, как мы выберемся из этого?
Вы должны ионизировать эти атомы! Или, точнее, вы должны повторно ионизироватьих, так как они были ионизированы один раз раньше: еще до того, как они стали нейтральными в первую очередь.
Но это не происходит быстро: это процесс, который требует образования миллиардов и миллиардов звезд, испускающих ультрафиолетовое ионизирующее излучение и ударяющих по более чем 99% нейтральных атомов во Вселенной. Это постепенный процесс, который занимает около 550 миллионов лет!
До недавнего времени мы думали, что реионизация - эта последняя фаза становления Вселенной прозрачной для видимого света - произошла через 450 миллионов лет после Большого Взрыва, но этот дополнительный фактор в 100 миллионов лет был определен недавним наблюдения спутника Планк.
Но это не означает, как вы могли недавно прочитать, что самые старые звезды Вселенной образовались на 100 миллионов лет позже, чем мы считали ранее.
Это означает, что первые звезды сформировались намного, намного раньшечто мы можем их видеть, и что мы не сформировали достаточное количество этих звезд - и они не горели достаточно долго - чтобы повторно ионизировать Вселенную и сделать ее прозрачной для света до 100 миллионов лет после того, как мы думали ранее.
Во Вселенной недостаточно просто «дать быть свету», чтобы увидеть первые звезды: нужно, чтобы этот свет мог свободно путешествовать в пространстве!
В видимом свете их невозможно увидеть: каким бы хорошим ни был космический телескоп Хаббла, сколько бы он ни смотрел на эти клочки неба, он никогда не увидит назад, к первому звезды, потому что Вселенная все еще непрозрачна для видимого света.
Но есть надежда, и космический телескоп Джеймса Уэбба может воплотить эту надежду в реальность.
Глядя на более длинные волны света, эти пыльные конфигурации атомов и молекул могут быть фактически прозрачными для этих длин волн. Хотя Хаббл, возможно, и не сможет увидеть эти звезды, Джеймс Уэбб, который будет видеть инфракрасные (и довольно длинные инфракрасные) волны, сможет увидеть все вплоть до эпох, когда Вселенная была непрозрачна для видимого света.
Иными словами, всего через несколько лет мы действительно сможем исследовать первые звезды во Вселенной, а не просто сотни миллионов лет спустя, когда Вселенная станет прозрачной для видимой. свет. Первые звезды во Вселенной могут какое-то время быть невидимыми, но это вина наших глаз, а не света!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!