После реликтового излучения, до появления первых звезд, смотреть было не на что. Или был?
«[I]Если бы во вселенной не было света и, следовательно, не было существ с глазами, мы бы никогда не узнали, что там темно. Темно было бы бессмысленно». - К. С. Льюис
На прошлой неделе в программе «Спросите Итана» мы ответили, где именно находится Космический Микроволновый Фон (CMB) во Вселенной. Вселенной было всего 380 000 лет». На этой неделе, просмотрев ваши вопросы и предложения, я увидел, что Стив Лимпус спросил о следующем шаге в истории, задав следующий вопрос:
Расскажите нам, пожалуйста, историю эпохи после реликтового излучения - таинственного «Темного века»!
Я хотел бы узнать больше о влиянии гравитации на расширение Вселенной в эту эпоху после «инфляции» и «разъединения»; также первые звезды и образование галактик и сверхмассивных черных дыр?
В начале и в настоящее время существует огромное количество энергетического света: света, видимого нашими глазами и не только. Но было промежуточное время - темное время - где его не было.
Сегодня, конечно, Вселенная полна структур, включая тяжелые элементы, органические молекулы, луны, планеты и жизнь. В более крупных и самосветящихся масштабах у нас есть звезды, звездные скопления, галактики, скопления галактик, сверхновые звезды, квазары и обширная космическая сеть. Практически в любом направлении, в любом месте в космосе, куда мы захотим посмотреть, мы обнаружим множество светоизлучающих объектов. Кажется, что они ограничены только размером наших телескопов и количеством времени, которое мы проводим, наблюдая за ними.
Если мы оглянемся на самое далекое, самое далекое, что мы можем видеть, мы придем к единой поверхности во всех направлениях: Космическому Микроволновому Фону.
Во времена ранней Вселенной - при горячем Большом Взрыве - Вселенная была заполнена всем, что было энергетически возможно произвести: фотонами, материей, антиматерией и, вполне возможно, целой массой или частицы, о существовании которых мы сегодня не знаем. По мере того, как Вселенная старела, она расширялась, и это продолжается во времени, в том числе и по сей день. Когда Вселенная расширяется, она также охлаждается, поскольку количество энергии в фотоне обратно пропорционально его длине волны: растяните длину волны фотона по мере расширения Вселенной, и фотон остынет.
Это охлаждение означает, что в какой-то момент:
- становится достаточно прохладно, чтобы самопроизвольное создание пар материи и антиматерии прекратилось, а это означает, что вся избыточная антиматерия аннигилирует,
- становится достаточно прохладно, чтобы атомные ядра - состоящие из комбинаций протонов и нейтронов - могли образовываться без немедленного взрыва, и, в конце концов,
- становится достаточно прохладно, чтобы нейтральные атомы могли устойчиво формироваться, без фотонов с достаточной энергией для их реионизации.
Этот последний шаг невероятно важен, потому что, когда Вселенная претерпевает этот переход, она переходит из непрозрачной ионизированной плазмы, где фотоны постоянно рассеиваются электронами, в прозрачное состояние, где фотоны могут свободно течь, беспрепятственно (в основном невидимыми) нейтральными атомами.
Вот откуда появляется поверхность последнего рассеяния, или реликтовое излучение. Когда он впервые формируется, его температура составляет около 2 940 К, что соответствует цвету красного света. В течение следующих трех миллионов лет этот реликтовый свет сместится из видимого диапазона в красную сторону, превратившись в исключительно инфракрасный свет и, в конечном счете, по прошествии времени, в микроволновый свет. Тем не менее, с той точки - где Вселенная излучает реликтовое излучение в возрасте 380 000 лет до образования первых звезд десятки миллионов лет спустя, во Вселенной нет нового света, который был бы виден нам. Это так называемые космические «темные века».
Вопрос Стива хотел узнать о многих вещах, включая образование звезд, галактик и черных дыр. У меня плохие новости, если вы на это надеялись: официально это конец темных веков, наступает эра второго света Если Большой Взрыв ознаменовал собой первый свет, то нового источника не будет, пока не сформируются первые звезды, чего не произойдет, пока Вселенная не станет между 50 и 100 миллионов лет. (Возможно, вы слышали цифру в 550 миллионов лет, но это для реионизации Вселенной, а не для образования первых звезд!)
Именно после образования первых звезд мы получаем первые черные дыры (от их гибели), первые сверхмассивные черные дыры (от их слияний), первые галактики (от слияний многих звездных скоплений), и более крупные структуры позже. Но как насчет того промежуточного времени, после реликтового излучения, но до появления первых звезд? Что-нибудь интересное происходит?
На самом деле есть два утвердительных ответа на этот вопрос, причем один потенциально намного интереснее другого.
1.) Гравитационный рост превращает крошечные, 1/30 000 сверхплотностей, в места расположения первых звезд нашей Вселенной Эти флуктуации реликтового излучения? Это не просто красивые узоры, обнаруженные такими спутниками, как COBE, Boomerang, WMAP и Planck. Те «горячие точки» (красные), которые вы видите, на самом деле являются областями, в которых материи немного меньше, чем в среднем во Вселенной, а «холодные точки» (синие) - это области с немного большей материей, чем в среднем. Почему? Потому что, несмотря на то, что реликтовое излучение везде одинаково, в нем есть гравитационная воронка, из которой можно выбраться, и чем больше у вас материи, тем дальше вам придется карабкаться и, следовательно, тем больше энергии вы потеряете на выходе.
Эти холодные точки, которые вы видите, притягивают все больше и больше материи - они растут с течением времени - с увеличением скорости роста по мере того, как материя становится более важной, а радиация становится менее важной. К тому времени, когда Вселенной исполнится 16 миллионов лет, типичные сверхплотные области, которые вы видите, в в десять развеличины, которой они были на поверхности последнего рассеяния. Те, которые были 1 часть из 30 000 избыточной плотности, теперь являются 1 из 3 000; те, которые были 1 к 10 000, теперь 1 к 1 000, а сверхредкие, большие колебания, те, которые могли быть 1 к 500 ко времени реликтового излучения теперь имеют повышенную плотность на 1 часть из 50, или на 2% плотнее, чем в среднем. С течением времени эти сверхплотности продолжают расти. В конце концов, есть определенный порог, который меняет все. Когда сверхплотная область достигает примерно 168% от «средней» плотности - или становится сверхплотной на 68% - , она достигает масштаба нелинейности, что означает, что гравитационное накопление материи быстро ускоряется.
Как только вы переступите этот порог, вы уже на пути к формированию звезд; скорее всего, это процесс, который длится менее 10 миллионов лет с момента, когда вы достигнете этого порога, до тех пор, пока в вашем ядре не появятся звезды. Вот почему может пройти много десятков или даже сотен миллионов лет «темных веков», прежде чем какая-либо область космоса достигнет плотности, даже не вдвое превышающей среднюю плотность Вселенной, но как только она туда доберется, это всего лишь краткий вопрос времени. прежде чем он снова осветит глубины космоса. Эпоха второго света наступит, когда темные века, единственный период времени, когда во Вселенной нет видимого света, подходят к концу..
Но темные века Вселенной не совсем, на 100% темные. Конечно, вокруг нет видимого света, но есть немного света, который создается еще до того, как вы сформируете звезду, и это связано с одной из самых простых структур во всей Вселенной: скромным, простым, нейтральным атомом.
2.) Эти нейтральные атомы - 92% которых составляют атомы водорода - медленно испускают совершенно точный радиоволновой свет на длине волны 21 смОбычно вы представляете себе атом водорода как протон и электрон, причем легкий электрон вращается вокруг протона. Это невероятно точная картина, которая так же верна сегодня, как и 100 лет назад, когда Нильс Бор впервые разработал свою модель атома водорода. Но одно из свойств протонов и электронов, которое мы часто игнорируем, имеет первостепенное значение в эти темные времена: тот факт, что они оба имеют спин или собственный угловой момент..
Для простоты мы можем смоделировать свойство вращения как «вверх» или «вниз», и поэтому, если у вас есть протон и электрон, связанные вместе, вы можете выровнять их (вверх-вниз). вверх или вниз-вниз), или против выравнивания (вверх-вниз или вниз-вверх). Какой из них вы формируете, является случайным и зависит от того, что делали протоны и электроны, когда вы впервые создали водород: первоначально около 50% выровнены, а 50% анти-выровнены. Существует крошечная, крошечная разница в энергии между двумя состояниями - , соответствующая количеству энергии фотона с длиной волны 21 см, или 5,9 микро-электрон-вольт - но переход из высокоэнергетического (выровненного) состояния в низкоэнергетическое (противовстроенное) запрещен законами квантовой механики.
Только благодаря невероятно редкому процессу, переходу, занимающему в среднем 3,4 × 10^15 секунд (или около 11 миллионов лет), выровненный атом может стать антивыровненным атомом, испуская это характерный фотон 21 см в процессе.
Этот «спин-флип-переход» никогда не наблюдался в лаборатории из-за столь длительного времени жизни, но был обнаружен астрономами в 1951 году и имеет невероятное значение для определения особенностей, в которых видимый свет просто выигрывал. я не делаю. В конце концов, именно так мы впервые нанесли на карту спиральную структуру нашей собственной галактики, поскольку видеть сквозь галактику в видимом свете невозможно из-за пыли в нашей галактике. Это также то, как мы измеряем кривые вращения галактик за пределами расстояний, где существуют звезды; линия 21 см - невероятно мощный инструмент для астрономии.
Одной из целей астрономии следующего поколения является создание телескопа, обладающего высокой чувствительностью к линии 21 см, с надеждой составить карту Вселенной в темные века, чего никогда не было сделано. Это расширит наши возможности за пределы видимого, за пределы эпохи реионизации и даже до первых звезд, которых надеется достичь космический телескоп Джеймса Уэбба. Хотя темные века можно было бы точно назвать, у нас есть шанс осветить их самым слабым светом с самой низкой энергией из всех, светом, длина которого буквально составляет десятки метров из-за красного смещения Вселенной, а это означает, что нам понадобится телескоп, по крайней мере, что большой, чтобы увидеть его. В идеале это было бы что-то вроде телескопа Аресибо, но в космосе, вдали от радиоисточников Земли.
Есть и другие возможности, одну из которых Аманда Йохо обсуждала здесь. И это история космических темных веков! Спасибо за отличный вопрос, Стив, и если у вас есть вопросы или предложения для следующего «Спросите Итана», присылайте их! Следующая колонка может принадлежать вам!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs.