Уяўленне мастака пра тое, як можа выглядаць Сусвет, калі ўпершыню фармуе зоркі. Пакуль у нас пакуль няма прамой карціны, новыя ўскосныя дадзеныя радыёастраноміі паказваюць на наяўнасць гэтых зорак, якія ўключаліся, калі Сусвету было паміж 180 і 260 мільёнамі гадоў. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC))

Самыя раннія сведчанні для зоркі - гэта страта Hubble's Records і паказвае на Dark Matter

Ускоснае знаходжанне было зусім нечаканым, і, калі яно ўтрымаецца, магло б даць касмічны тэлескоп Джэймса Уэбба першай раздражняльнай мэтай.

У пошуках разумення нашай Сусветы і гісторыі, адкуль мы паходзім у касмічным маштабе, два найбольш важныя пытанні: з чаго ствараецца Сусвет і як утварыліся першыя зоркі. Гэта звязаныя пытанні, бо вы можаце ўтвараць зоркі толькі ў тым выпадку, калі ў вас ёсць досыць матэрыі, каб гравітацыйна разбурацца, і нават пры гэтым пытанне павінна быць дастаткова шчыльным і халодным, каб гэты працэс працаваў. Самыя раннія зоркі, якія мы калі-небудзь выяўлялі, паходзяць з касмічнага тэлескопа Хаббл звышдалёкай галактыкі GN-z11, святло якога паходзіць ад нас, калі Сусвету было ўсяго 400 мільёнаў гадоў: 3% ад яе цяперашняга ўзросту. Сёння, пасля двухгадовага ўважлівага аналізу, у газеце Nature было апублікавана даследаванне Джуда Д. Боумана і супрацоўнікаў, якое абвясціла пра ўскоснае выяўленне зорнага святла, калі Сусвету было ўсяго 180 мільёнаў гадоў, дзе падрабязнасці пацвярджаюць існаванне і прысутнасць цемры матэрыі.

Прынцыповая схема гісторыі Сусвету, якая падкрэслівае рэінізацыю. 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 рэанімізуюцца значна раней. (С. Г. Джоргоўскі і інш., Каліфарнійскі цэнтр лічбавых медыя)

Вярнуцца да першых зорак - складаная задача, бо супраць цябе працуе цэлы шэраг фактараў. Па-першае, Сусвет пашыраецца, гэта значыць, што нават самы энергічны ультрафіялет, які выпраменьваецца зоркамі, расцягваецца на даўжыню хвалі, паколькі расцягваецца касмічная тканіна. Па меры таго, як святло падарожнічае на Зямлю, яно пераходзіць у бачны, блізкі да інфрачырвонага і ў рэшце рэшт у сярэдзінны інфрачырвоны да таго, як ён трапляе ў нашы вочы, робячы яго нябачным для большасці тэлескопаў. З іншага боку, Сусвет у самыя раннія часы запаўняецца нейтральнымі атамамі, а значыць, ён паглынае (і непразрысты) зорнае святло. Гэта працягвае ўздзеянне энергетычных іянізавальных фатонаў, якія дазваляюць Сусвету стаць празрыстымі. Такое спалучэнне эфектаў ужо азначае, што Хабл ніколі не бачыць першых зорак.

Першыя зоркі ў Сусвеце будуць акружаны нейтральнымі атамамі (у асноўным) вадароднага газу, які паглынае зорнае святло. Вадарод робіць Сусвет непразрыстым для бачнага, ультрафіялетавага і вялікай долі інфрачырвонага святла, але радыё-святло можа перадаць бесперашкодна. (Ніколь Рэгер Фуллер / Нацыянальны навуковы фонд)

Калі мы хочам убачыць гэтае святло наўпрост, у нас нічога не застаецца, акрамя як глядзець на вельмі вялікія даўжыні хваль з дапамогай ультра-адчувальнага касмічнага тэлескопа: менавіта так прызначаны Джэймс Уэб! Але паколькі Джэймс Уэбб усё яшчэ знаходзіцца на зямлі, праходзіць апошнюю серыю выпрабаванняў і гатовы да запуску, пройдзе яшчэ як мінімум 18 месяцаў, перш чым ён зможа шукаць гэтыя раннія зоркі і галактыкі. З-за разумнага эфекту, аднак, нейтральныя атамы, якія ўльтрафіялетавыя, аптычныя і інфрачырвоныя тэлескопы змагаюцца, каб на самай справе забяспечыць сігнал, мы можам выявіць: вельмі канкрэтную лінію выпраменьвання ў радыёчастотнай частцы спектра, даўжыня хвалі 21 сантыметр . Фізіка таго, як гэта працуе, уражвае.

Малады рэгіён, які ўтварае зорку, знойдзены ў нашым уласным Млечным шляху. Звярніце ўвагу, як матэрыял вакол зорак становіцца іянізаваным і з часам становіцца празрыстым для ўсіх формаў святла. Пакуль гэта не адбудзецца, навакольны газ паглынае выпраменьванне, выпраменьваючы ўласнае святло розных даўжынь хваль. (НАСА, ЭКА і спадчына Хабла (STScI / AURA) -ESA / Супраць Хабла; Пацвярджэнне: Р. О'Конэл (Універсітэт Вірджыніі) і Камітэт па навуковым кантролі WFC3)

Калі вы ўтвараеце зоркі, яны перадаюць энергію ўсім атамам, малекулам, іёнам і іншым часціцам, якія іх атачаюць. На самых ранніх этапах Сусвету 92% існуючых (па колькасці) атамаў складаюць атамы вадароду: адзіны пратон, які круціцца вакол яго. Зорнае святло, якое спачатку выпраменьваецца, іянізуе частку атамаў, але таксама выкліча агульны эфект паглынання, пры якім электроны ў атамах падганяюцца да больш высокага энергетычнага стану. Па меры таго, як электроны далучаюцца да пратонаў і / або ўпадаюць у асноўны стан, што яны робяць спантанна, ёсць верагоднасць 50/50, што яны будуць накручваць спіны альбо выраўнаванымі, альбо выраўнаванымі са спінам цэнтральнага пратона. Калі яны будуць выраўнаваны, яны застануцца там вечна. Але калі яны выраўнаваны, яны ў канчатковым выніку перагортваюцца, выпраменьваючы вельмі канкрэтны квант энергіі з даўжынёй хвалі 21 сантыметр.

21-сантыметровая вадародная лінія ўзнікае, калі атам вадароду, які змяшчае пратон / электроны ў спалучэнні з выраўнаванымі спінамі (уверсе), перагортваецца, каб мець супрацьлеглыя спіны (унізе), выпраменьваючы адзін пэўны фатон вельмі характэрнай даўжыні хвалі. (Тыльтэк Вікісховішча)

Гэтая асаблівасць выпраменьвання фатону павінна перамяшчацца па Сусвеце без асцярогі, трапляючы ў нашы вочы пасля таго, як яна змяняецца паўторна і расцягваецца да яшчэ большай даўжыні хвалі. Упершыню за нябёсную адчувальнасць было прынята ўсю сярэдзіну радыёэмісій, і гэтая ўльтрадалёкая подпіс дзівосна паказала! Сабраныя дадзеныя паказваюць, што гэты нейтральны вадародны газ выпраменьвае гэтую 21-сантыметровую лінію за вельмі пэўную працягласць: ад чырвонага зруху ад 15 да 20 або ўзросту Сусвету паміж 180 і 260 мільёнамі гадоў. Упершыню ў нас ёсць рэальныя дадзеныя, якія паказваюць, калі самыя раннія зоркі ўтварыліся ў дастатковай колькасці, каб пачаць уздзейнічаць на нейтральны газ у Сусвеце.

Велізарны «апусканне», які вы бачыце на графіцы, прамы вынік апошняга даследавання Bowman et al. (2018), паказвае беспамылковы сігнал 21-сантыметровага выпраменьвання з часоў, калі Сусвет мела ўзрост ад 180 да 260 мільёнаў гадоў. Мы лічым, што гэта ўключэнне першай хвалі зорак і галактык у Сусвеце. (JD Bowman et al., Прырода, 555, L67 (2018))

Дадзеныя таксама паказваюць тэмпературу для газу, якая аказваецца значна прахалоднай, чым прагназуюць нашы стандартныя мадэлі. Гэта можна растлумачыць некалькімі шляхамі, у тым ліку:

  • выпраменьванне зорак і зорных рэшткаў,
  • больш гарачы, чым чакалася, касмічны фон выпраменьвання,
  • альбо дадатковае астуджэнне з-за ўзаемадзеяння паміж звычайнай і цёмнай матэрыяй.

Першая магчымасць добра зразумелая і наўрад ці ўлічвае гэты эфект, а другая была вымераная да неверагоднай дакладнасці і лёгка выключаецца. Трэцім тлумачэннем можа стаць доўгачаканая падказка аб уласцівасцях часціц, якімі валодае цёмная матэрыя.

Фарміраванне касмічнай структуры, як на вялікіх, так і на малых, моцна залежыць ад таго, як узаемадзейнічаюць цёмная і нармальная рэчывы. Пры назіраных халодных тэмпературах нейтральнага газу, які выпраменьвае 21-сантыметровую лінію, гэта можа быць падказкай, што цёмная і звычайная матэрыя ўзаемадзейнічаюць, каб астудзіць газ новым, нечаканым чынам. (Ілюстрацыя Ілюстрацыя / Ілюстрацыя мадэлявання)

Але, як і ва ўсіх справах, важна выконваць асцярожнасць. Чакаецца, што астуджэнне працякае па-рознаму ў воблаку газу, калі ён складаецца выключна з вадароду, а калі ён утрымлівае цяжкія элементы, але ўсе аблокі, якія мы раней назіралі, утрымліваюць гэтыя цяжкія элементы; яны ўтварылі папярэднія пакаленні зорак. Акрамя таго, у нашай галактыцы ёсць надзвычай халодныя месцы, напрыклад, туманнасць Бумеранга, якая на ~ 1 К больш халодная, чым нават самыя глыбокія пустэчы ў міжгалактычнай прасторы. Улічваючы, што першыя зоркі, верагодна, вельмі адрозніваюцца ад тых, якія мы маем сёння, разумна думаць, што мы не можам зразумець, як працуе радыяцыя зоркі і зорных рэшткаў у раннім Сусвеце, як і мы думаем, што яны робяць.

Уражанне мастака аб навакольным асяроддзі ў раннім Сусвеце пасля таго, як некалькі першых трыльёнаў зорак сфармаваліся, жылі і паміралі. Існаванне і жыццёвы цыкл зорак - гэта асноўны працэс, які ўзбагачае Сусвет, а не толькі вадарод і гелій, а выпраменьванне, якое выпраменьвае першыя зоркі, робіць яго празрыстым для бачнага святла. (NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling і інш. (STECF))

Усё ж такі гэта велізарны прагрэс і наша першае акно ў зоркі, якія існавалі ў Сусвеце за межамі Хабла. Гэта неверагодна надзейная і спадзявальная знаходка для паляўнічых на цёмную матэрыю, што паказвае на тое, што можа быць вымерна ўзаемадзеянне паміж цёмнай матэрыяй і звычайнай матэрыяй у рэшце рэшт. І гэта дазваляе касмічным тэлескопам Джэймса Уэбба шукаць нешта: папуляцыі ранніх зорак і галактык ўключаюцца ў пэўным акне чырвонага зруху.

З выяўленнем гэтага 21-сантыметровага сігналу, які ўзнікае з таго часу, калі Сусвету было паміж 180 і 260 мільёнамі гадоў, мы адсунулі тэрміны першых зорак і галактык далёка за межы нашых прамых межаў выяўлення. Тым не менш, гэтая знаходка дапамагае нам лепш зразумець, якім чынам Сусвет стаў такім, якім ён ёсць сёння. (Ніколь Рэгер Фуллер / Нацыянальны навуковы фонд)

У той час як астраномы звычайна асцярожныя, гэтая знаходка выклікала шквал здагадак. Аві Лёб, цытуецца ў агенцтве Асашыэйтэд Прэс, сказаў: "Калі гэта пацверджана, гэта адкрыццё заслугоўвае двух Нобелеўскіх прэмій" за тое, што выявіў першыя доказы гэтых звышдалёкіх зорак і за сувязь з цёмнай матэрыяй. Як Кэці Мак напісала ў Scientific American:

Гэта самы ранні паказчык любой структуры Сусвету і прамое акно ў працэсы, якія прывялі ўсё, што непатрабавальны вадародны газ кандэнсаваўся пад гравітацыяй, у зоркі і галактыкі, і, у рэшце рэшт, у жыццё.

І самае галоўнае, гэта зірнуць на тое, што такое адштурхоўваць межы навукі. Першыя дадзеныя пра што-небудзь новае амаль заўсёды ўскосныя, слабыя і складаныя для інтэрпрэтацыі. Але гэтыя невытлумачальныя сігналы могуць растлумачыць тое, што мы яшчэ не цалкам разумеем: якім чынам Сусвет стаў такім, якім ён ёсць сёння. Упершыню Сусвет даў нам назіранне, дзе можна і дзеля чаго шукаць. Наступны крок - нам.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".