Невидимы ли первые звёзды Вселенной?

в 15:14, , рубрики: астрономия, водород, Вселенная, гелий, звезды, Научно-популярное, рассеяние, реионизация, физика, фотоны

Почему недостаточно сказать «да будет свет».

Наблюдайте красоту жизни. Смотрите на звёзды и на то, как вы бежите вместе с ними.
— Марк Аврелий

Представьте себе знакомое вам ночное небо. Вдалеке от городов в безлунную ночь, в самых тёмных из виденных вами мест. Будто вы ложитесь на траву, и смотрите на небеса. Вы смотрите вверх, воздух прохладен, и небеса чисты: никаких туч не видно.

Что вы увидите?

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 1

Планеты, звёзды, яркие и тусклые, и даже Млечный путь. Но, возможно, самое удивительное в ночном небе, это не присутствие нескольких разбросанных огоньков, но то, что почти в любом направлении небо тёмное.

Если задуматься об этом, то в происходящем довольно мало смысла.

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 2

Если бы во Вселенной было очень-очень много звёзд – источников света во всех направлениях – можно было бы ожидать, что везде, куда бы вы ни посмотрели, ваша линия взгляда встретила бы звезду.

А раз так, никакой темноты вы бы не заметили. Каждая точка была бы наполнена светом, неважно, насколько далеко эта звезда, галактика или иной источник света находится.

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 3

Это был один из величайших парадоксов XIX века: парадокс Олберса, показавший, что идея о бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звёзд, размещённых по всему космосу, была несовместима с темнотой ночного неба.

Решение этого парадокса, конечно, в том, что когда мы смотрим на удалённые части Вселенной, мы смотрим в прошлое. Поскольку Вселенная существовала в горячем, плотном и более однородном раннем состоянии, был момент, до которого во Вселенной не было никаких звёзд, так как гравитации понадобилось время, чтобы впервые собрать изначальный газ в звёзды. Если заглянуть на достаточно большое расстояние, то там не будет видно ни одной звезды.

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 4

После Большого взрыва Вселенная была горячей, плотной и однородной, а также она расширялась и остывала. К возрасту в 380 000 лет она остыла достаточно для того, чтобы впервые сформировались нейтральные атомы. Но для того, чтобы что-либо увидеть, есть два препятствия:
1. Не на что смотреть, пока мы не создадим источники света.
2. И даже после этого Вселенной нужно стать прозрачной.

И хотя две эти проблемы – формирование первых звёзд и приобретение Вселенной прозрачности – обычно объединяют под названием «тёмных веков», это две отдельные проблемы, которые Вселенной необходимо решить.

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 5

Во-первых, до формирования первых звёзд вам просто не на что смотреть. И хотя Вселенная изначально была почти однородной, существовали небольшие несовершенства, например, районы, в которых материи было чуть больше среднего. Со временем гравитация стягивала всё больше материи в районы повышенной плотности, и они вырастали в комки материи.

Через десятки миллиардов лет эти комки выросли достаточно, чтобы начать коллапсировать под собственной тяжестью. И когда ядра этих комочков из атомов и молекул достаточно уплотняются, процесс ядерного синтеза – сжигания водорода и превращения его в гелий – наконец начинается!

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 6

Эти места ядерного синтеза становятся ядрами самых первых звёзд во Вселенной, ярко горящими, и испускающими первый видимый свет с одного из ранних периодов Большого взрыва.

Происходит это всего через 50 миллионов лет после рождения Вселенной, что кажется очень кратким промежутком для звёзд. Но есть проблема: ни одна из этих звёзд нам не видна!

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 7

Конечно, эти звёзды испускают свет, точно так же, как звёзды за «тёмной туманностью» выше, Барнард 68. Она выглядит такой тёмной, потому что блокирует свет звёзд. Почему? Потому что атомы и молекулы, существующие в ней, по размеру как раз такие, чтобы они могли поглощать видимый свет.

Хотя у отдельных атомов есть определённые переходы, на которых они могут поглощать свет, будучи связанными в хитрые конфигурации, они способны блокировать весь спектр видимого света. Именно такая непрозрачность и образовалась во Вселенной во время появления первых звёзд: свет создавался, но до наших глаз он дойти не сможет.

И как же нам быть?

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 8

Нам нужно ионизировать эти атомы. Точнее, реионизировать, поскольку раньше они уже были ионизированными: до того, как стали нейтральными.

Но это не быстрый процесс: он требует, чтобы появились миллиарды миллиардов звёзд, испустили ионизирующее ультрафиолетовое излучение, и столкнулось более с чем 99% нейтральных атомов во Вселенной. Это процесс постепенный, и на его завершение требуется около 550 миллионов лет!

До недавнего времени считалось, что реионизация – последняя фаза процесса обретения Вселенной прозрачности – случилась через 450 миллионов лет после Большого взрыва, но этот дополнительный фактор в 100 миллионов лет был определён недавними наблюдениями спутника Планк.

Но это не значит, что самые ранние звёзды Вселенной сформировались на 100 миллионов лет позже, чем мы думали – как это представляют некоторые авторы.

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 9

Это значит, что самые первые звёзды сформировались гораздо раньше, чем мы могли их увидеть, и что их получилось мало – и они недостаточно долго горели и были недостаточно горячими – для того, чтобы реионизировать Вселенную и сделать её прозрачной ранее, чем через 100 миллионов лет.

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 10

Недостаточно просто сказать «да будет свет», чтобы увидеть первые звёзды: нужно, чтобы этот свет мог беспрепятственно перемещаться в пространстве!

В видимом спектре их не увидеть. Неважно, насколько хорош телескоп им. Хаббла, как долго он вглядывается в эти участки неба, он никогда не заглянет в прошлое так далеко, чтобы увидеть первые звёзды, поскольку тогда Вселенная была непрозрачной для видимого света.

Но надежда есть, и у космического телескопа Джеймса Уэбба будет потенциал, чтобы превратить эту мечту в реальность.

Невидимы ли первые звёзды Вселенной? - 11

Если смотреть в более длинных волнах, эти пыльные конструкции из атомов и молекул могут быть для них прозрачными. И даже если Хаббл не увидит эти звёзды, Джеймс Уэбб, смотрящий в инфракрасном (и довольно дальнем) диапазоне, сможет заглянуть в прошлое до тех времён, когда Вселенная была непрозрачной для видимого света.

Иными словами, всего лишь через несколько лет мы, возможно, сумеем изучить самые первые звёзды Вселенной, а не только то, что случилось через сотни миллионов лет, когда Вселенная стала прозрачной для видимого света. Пока что первые звёзды Вселенной могут быть невидимыми, но проблема заключается в наших глазах, а не в свете!

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля