Сусвет, якая разрастаецца, поўная галактык і складаная структура, якую мы назіраем сёння, узнікла з меншага, больш гарачага, шчыльнага і больш раўнамернага стану. Пасля таго, як нейтральныя атамы ўтвараюць, праходзіць каля 550 мільёнаў гадоў, каб скончыць

Спытайце Этан: Чаму Сусвет быў так цёмны?

Першыя зоркі ўтварыліся амаль за паўмільярда гадоў, перш чым мы маглі ўбачыць іх святло. Вось чаму.

У момант Вялікага выбуху Сусвет была поўная матэрыі і выпраменьвання, але не было зорак. Па меры пашырэння і астуджэння вы ўтварылі пратоны і нейтроны ў першай долі секунды, атамныя ядра ў першыя 3–4 хвіліны і нейтральныя атамы прыблізна ў 380 000 гадоў. Яшчэ праз 50–100 мільёнаў гадоў вы ствараеце першыя зоркі. Але Сусвет застаецца цемрай, і назіральнікі ўнутры яе не бачаць зорнага святла да 550 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху. Чаму так доўга? Юстын Поп хоча ведаць:

Цікава мне адно: чаму цёмныя стагоддзі доўжыліся сотні мільёнаў гадоў? Я хацеў бы чакаць на парадак менш, альбо больш.

Фарміраванне зорак і галактык - гэта велізарны крок у стварэнні святла, але гэтага недастаткова, каб самастойна скончыць "цёмныя стагоддзі". Вось гісторыя.

Ранняя Сусвет была поўная матэрыі і выпраменьвання і была настолькі гарачай і шчыльнай, што перашкаджала пратонам і нейтронам стабільна ўтварацца на працягу першай долі секунды. Аднак, як толькі яны не знішчаюць антыматэрыю, мы заводзімся морам матэрыі і радыяцыйнымі часціцамі, зашпільваючы прыблізна хуткасць святла. Крэдыт малюнкаў: супрацоўніцтва RHIC, Брукхейвен.

Паспрабуйце ўявіць Сусвет такім, якім ён быў, калі яму было ўсяго некалькі хвілін: да адукацыі нейтральных атамаў. Космас поўны пратонаў, лёгкіх ядраў, электронаў, нейтрына і выпраменьвання. На гэтым раннім этапе адбываюцца тры важныя рэчы:

  1. Сусвет вельмі аднастайны з пункту гледжання колькасці матэрыі ў любым месцы, а самыя шчыльныя рэгіёны на 100 000 больш шчыльныя, чым найменш шчыльныя рэгіёны.
  2. Гравітацыя вельмі моцна працуе, каб уцягнуць рэчыва, і празмерныя рэгіёны даюць дадатковую прывабную сілу, каб гэта адбылося.
  3. І выпраменьванне, у асноўным у выглядзе фатонаў, выштурхоўвае вонкі, супрацьстаючы гравітацыйным уздзеянням матэрыі.

Пакуль у нас дастаткова энергічнае выпраменьванне, яно перашкаджае ўстойлівым фарміраванню нейтральных атамаў. І толькі калі пашырэнне Сусвету астуджае выпраменьванне настолькі, што нейтральныя атамы не адразу рэанімуюцца.

У гарачай, ранняй Сусвеце, да ўтварэння нейтральных атамаў, фатоны рассейваюцца электронамі (і ў меншай ступені пратонамі) з вельмі высокай хуткасцю, перадаючы імпульс, калі яны гэта робяць. Пасля фарміравання нейтральных атамаў фатоны проста перамяшчаюцца па прамой лініі. Малюнак: Amanda Yoho.

Пасля таго, як гэта адбылося, праз 380 тысяч гадоў за ўсю гісторыю Сусвету, выпраменьванне (у асноўным фатоны) проста вызваляе патокі ў любым кірунку, які рухаўся апошнім, праз нейтральную да гэтага часу матэрыю. 13,8 мільярда гадоў праз, мы можам прагледзець гэты водбліск ад Вялікага выбуху: касмічны мікрахвалевы фон. Сёння ён знаходзіцца ў "мікрахвалевай" частцы спектра з-за расцяжэння хваль з-за пашырэння Сусвету. Але яшчэ важней, там ёсць схема ваганняў гарачых і халодных плям, якая адпавядае перагружаным і недастатковым абласцям Сусвету.

Перанапружаныя, сярэдняя шчыльнасць і недастатковыя рэгіёны, якія існавалі, калі Сусвету было ўсяго 380 000 гадоў, зараз адпавядаюць халодным, сярэднім і гарачым кропкам у CMB. Малюнак: Э. Зігель / Па-за Галактыкай.

Пасля таго як вы ўтварыце нейтральныя атамы, гравітацыйны калапс наступіць значна лягчэй, бо фотаны вельмі лёгка ўзаемадзейнічаюць са свабоднымі электронамі, але значна менш з нейтральнымі атамамі. Па меры таго, як фаты астываюць да меншай і меншай энергій, гэта становіцца ўсё больш важным для Сусвету, і таму пачынае адбывацца гравітацыйны рост. Гравітацыя займае прыблізна 50–100 мільёнаў гадоў, каб гравітацыя сабрала дастатковую колькасць рэчывы, а газ астыў, каб даць магчымасць разбурыцца, каб утварыліся першыя зоркі. Пасля гэтага ядзерны сінтэз запальваецца, і першыя цяжкія элементы Сусвету ўзнікаюць.

Маштабная структура Сусвету змяняецца з цягам часу, калі малюсенькія недасканаласці ўзрастаюць, утвараючы першыя зоркі і галактыкі, затым зліваюцца разам, утвараючы вялікія сучасныя галактыкі, якія мы бачым сёння. Гледзячы на ​​вялікія адлегласці выяўляе маладзейшы Сусвет, падобны да таго, як быў наш мясцовы рэгіён у мінулым. Малюнак: Крыс Блэйк і Сэм Мурфілд.

Але нават з тымі зоркамі мы ўсё яшчэ ў цёмных стагоддзях. Вінаваты? Усе гэтыя нейтральныя атамы распаўсюджваюцца па ўсёй Сусвету. Ёсць некалькі 1080 з іх, і хоць фатоны з нізкім узроўнем энергіі, што засталіся ад Вялікага выбуху, празрыстыя для гэтага звычайнага рэчыва, зоркі больш высокай энергіі непразрысты. Гэта тая самая прычына, па якой вы не бачыце зорак у цэнтры галактыкі ў бачным святле, але на большай (напрыклад, інфрачырвонай) даўжыні хваль вы бачыце прама праз нейтральны газ і пыл.

Гэты чатырохпанэльны выгляд паказвае цэнтральную вобласць Млечнага Шляху ў чатырох розных даўжынях хваль святла, з большай даўжынёй (субміліметр) уверсе, праходзячы праз далёкую і блізкую інфрачырвоную (2-я і 3-я) і заканчваючы выглядам бачнага святла Млечнага Шляху. Звярніце ўвагу, што пылавыя дарогі і зоны пярэдняга плана засланяюць цэнтр пры бачным святле. Крэдыт малюнка: кансорцыум ESO / ATLASGAL / NASA / GLIMPSE / VVV Survey / ESA / Planck / D. Minniti / S. Пацвярджэнне гізарда: Ігнасіа Таледа, Марцін Корммессер.

Для таго, каб Сусвет стала празрыстай для зорнага святла, гэтыя нейтральныя атамы павінны стаць іянізаванымі. Яны былі іянізаваныя адзін раз вельмі даўно: раней Сусвету было 380 000 гадоў, таму працэс іянізацыі мы яшчэ называем рэанізацыяй. І толькі калі вы ўтварылі дастаткова новых зорак і выпраменьваеце дастатковую колькасць высокаэнергетычных ультрафіялетавых фатонаў, вы зможаце завяршыць гэты працэс рэіянізацыі і давесці да канца цёмныя стагоддзі. Хоць першыя зоркі могуць існаваць толькі праз 50–100 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху, нашы дэталёвыя назіранні паказалі нам, што рэанізацыя не завяршаецца, пакуль Сусвету не будзе каля 550 мільёнаў гадоў.

Прынцыповая схема гісторыі Сусвету, якая вылучае рэіянізацыю, якая адбываецца ўсур'ёз толькі пасля ўтварэння першых зорак і галактык. Да таго, як утварыліся зоркі ці галактыкі, Сусвет была поўная святлаабладальных нейтральных атамаў. У той час як большая частка Сусвету не рэанімуецца да 550 мільёнаў гадоў пасля гэтага, некалькі шчаслівых рэгіёнаў у асноўным рэанімаваліся ў больш раннія часы. Крэдыт малюнкаў: С. Г. Джоргоўскі і інш., Каліфарнійскі цэнтр лічбавых медыя

Як гэта, што самыя раннія галактыкі мы бачым з таго часу, калі Сусвету было ўсяго 400 мільёнаў гадоў? І як атрымалася, што касмічны тэлескоп Джэймса Уэбба ўбачыць яшчэ далей, чым гэта? Ёсць два фактары:

1.) Рэанізацыя неаднародная. Сусвет поўная камякоў, недасканаласцей і неаднастайнасцей. Гэта выдатна, бо дазваляе нам фармаваць зоркі, галактыкі, планеты, а таксама чалавека. Але гэта таксама азначае, што некаторыя рэгіёны космасу, а некаторыя напрамкі на неба, перажываюць поўную рэіянізацыю перад іншымі. Самая далёкая вядомая галактыка, якую мы калі-небудзь бачылі, GN-z11, - гэта яркая і відовішчная галактыка для тых самых маладых, як яна ёсць, але яна таксама размяшчаецца ў тым напрамку, дзе Сусвет у асноўным ужо цалкам адноўлена. Проста рэч, што гэта адбылося за 150 мільёнаў гадоў да "сярэдняга" часу рэіянізацыі.

Толькі таму, што гэтая далёкая галактыка, GN-z11, знаходзіцца ў рэгіёне, дзе міжгалактычная асяроддзе ў асноўным рэаінізуецца, Хаббл можа нам гэта раскрыць. Джэймс Уэбб пойдзе значна далей. Малюнак: NASA, ESA і A. Feild (STScI).

2.) Больш доўгія хвалі з'яўляюцца празрыстымі для гэтых нейтральных атамаў. У той час як Сусвет у гэтыя раннія часы цёмны, наколькі бачна і ультрафіялетавае святло, тым большыя даўжыні хваль становяцца празрыстымі для гэтых нейтральных атамаў. Напрыклад, "Слупы тварэння", як вядома, непразрыстымі для бачнага святла, але калі праглядаць іх у інфрачырвоным святле, мы можам лёгка ўбачыць зоркі ўнутры.

Бачны свет (L) і інфрачырвоны (R) выгляд даўжыні хвалі аднаго і таго ж аб'екта: слупы стварэння. Звярніце ўвагу, наколькі больш празрысты газ і пыл для інфрачырвонага выпраменьвання і як гэта ўплывае на фонавыя і ўнутраныя зоркі, якія мы можам выявіць. Крэдыт малюнка: каманда па спадчыне NASA / ESA / Hubble.

Касмічны тэлескоп Джэймса Уэбба стане не толькі галоўнай інфрачырвонай абсерваторыяй, але і будзе распрацаваны для прагляду святла, які быў інфрачырвоны, калі ён выпраменьваўся ад гэтых ранніх зорак. Падаўжаючы да даўжыні хвалі 30 мікрон, а таксама ў сярэдзіну інфрачырвонага, ён зможа праглядаць аб'екты ў цёмныя стагоддзі.

Пакуль мы вывучаем усё больш Сусвету, мы становімся адчувальнымі да не толькі слабых аб'ектаў, але і да аб'ектаў, якія “заблакаваны” нейтральнымі атамамі. Але з інфрачырвонымі абсерваторыямі мы ўсё ж бачым іх. Малюнак: каманды NASA / JWST і HST.

Сусвет так доўга цямнела, бо атамы ўнутры яго так доўга былі нейтральнымі. Нават 98% рэанізаваная Сусвет па-ранейшаму непразрыстая для бачнага святла, і нам спатрэбіцца каля 500 мільёнаў гадоў зорнага святла, каб цалкам іянізаваць усе атамы і даць нам Сусвет, які сапраўды празрысты. Калі заканчваецца цёмны век, мы можам бачыць усё на светлых даўжынях хваль, але перад гэтым нам трэба альбо пашанцаваць, альбо зазірнуць у больш доўгія, менш паглынутыя даўжыні хваль.

Дазволіць сабе святло, утвараючы зоркі і галактыкі, недастаткова для завяршэння цёмных стагоддзяў у Сусвеце. Стварэнне святла - гэта толькі палова гісторыі; стварэнне асяроддзя, дзе яно можа распаўсюджвацца да вашых вачэй, гэтак жа важна. Для гэтага нам трэба шмат ультрафіялетавага святла, і для гэтага патрэбны час. Але, гледзячы толькі правільным чынам, мы можам зазірнуць у цемру і паглядзець, што мы ніколі раней не назіралі. Менш чым праз два гады гэтая гісторыя пачнецца.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан напісаў дзве кнігі: Beyond The Galaxy, іTreknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.