Jobbról balra haladva ez a vizualizáció azt mutatja, hogy a világegyetem kozmikus hajnalja után a semleges hidrogén ködéből az első csillagok kialakulnak.
(Kép: © NASA / STScI)
Paul Sutter az Ohio Állami Egyetemen asztrofizikus és a COSI tudományos központ vezető tudósa. Sutter a Ask a Spaceman és az Space Radio házigazdája, és az AstroTours-ot vezet világszerte. Sutter hozzátette ezt a cikket az Space.com szakértői hangjaihoz: Op-Ed & Insights.
Az univerzum tanulmányozásának az elmúlt száz évben talán a legnagyobb kinyilatkoztatása az, hogy otthonunk idővel változik és fejlődik. És nem csak olyan apró, jelentéktelen módon, mint a csillagok mozogása, a gázfelhők tömörítése és a hatalmas csillagok, amelyek kataklizmikus robbanásokban halnak meg. Nem, az egész kozmoszunk a távoli múltban többször is megváltoztatta alapvető jellegét, globális - azaz univerzális - léptékében teljesen megváltoztatta belső állapotát.
Vegyük például azt a tényt, hogy a ködös, rosszul emlékezett múltban egy időben sem volt csillag.
Az első fény előtt
Tudjuk ezt az egyszerű tényt, mert létezik a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB), amely egy gyenge, de tartós sugárzású fürdő, amely az egész univerzumot felszívja. Ha véletlenszerű fotont (egy kis fényt) tapasztal, akkor nagy esély van arra, hogy a CMB-től származik - ez a fény az univerzum teljes sugárzásának több mint 99,99 százalékát veszi igénybe. Ez egy maradék emlék, amikor az univerzum csak 270 000 éves volt, és egy forró, forgó plazmából semleges levesré változott (pozitív vagy negatív töltés nélkül). Ez az átmenet enyhítette a fehérsugárzó sugárzást, amely 13,8 milliárd év alatt lehűlt és belenyúlt a mikrohullámokba, így háttérvilágítást adott nekünk, amelyet ma fel tudunk mutatni. [Kozmikus mikrohullámú háttér: a Big Bang Relic magyarázata (Infographic)]
A CMB kiadásának idején a világegyetem a jelenlegi térfogatának körülbelül egymilliomodszor és több ezer fokkal forróbb volt. Szintén teljesen egységes volt, sűrűségbeli különbsége nem volt nagyobb, mint 1 rész a 100 000-ből.
Tehát nem pontosan olyan állapotban, ahol a csillagok boldogan létezhetnek.
A sötét korok
A CMB (a csillagászati körökben "rekombinációnak" nevezzük, amelyet még a korábbi korszakok történelmi félreértése miatt szenvedélyesen "rekombinációnak" hívtak) millió években az univerzum furcsa állapotban volt. Volt egy tartósan fehérsugárzó fürdő, de ez a sugárzás gyorsan lehűlt, miközben az univerzum folytatta elkerülhetetlen terjeszkedését. Természetesen volt sötét anyag, amely a saját üzletét lógta ki. És ott volt a most semleges gáz, szinte teljes egészében hidrogén és hélium, amelyet végül szabadon engedtek a sugárzás elleni küzdelmekből, és szabadon tehették meg, ahogy tetszik.
És amit örömmel tett, az volt, hogy a lehető legtöbb önmagával lógott. Szerencsére nem kellett nagyon keményen dolgoznia: A rendkívül korai világegyetemben a mikroszkopikus kvantumingadozások csak kis sűrűségbeli különbségekké változtak (és miért történt ez egy másik nap története). Ezek az apró sűrűségbeli különbségek nem befolyásolták a nagyobb kozmológiai terjeszkedést, ám befolyásolták ennek a semleges hidrogénnek az életét. Bármelyik, az átlagnál kissé sűrűbb foltnak - még egy apró, apró darabig is is - kissé erősebb gravitációs vonzereje volt a szomszédai számára. Ez a fokozott vonzás ösztönözte a több gázt, hogy csatlakozzon a párthoz, amely felerősítette a gravitációs vontatóhajót, ami még több szomszédot ösztönözött és így tovább.
Mint a hangos zenét a házibuliknél, amely sziréna dalként szolgál, hogy ösztönözze a több kinyilatkoztatót, a milliónyi év során a gazdag gáz gazdagodott, a gyenge gáz pedig szegényebbé vált. Az egyszerű gravitáció révén apró sűrűségbeli különbségek nőttek, felépítve az anyag első hatalmas agglomerációit, és kiürítik a környezetüket.
A "kozmikus hajnal" szünet
Valahol, valahol egy darab semleges hidrogénből szerencsés lett. A rétegeket egymásra hatalmas rétegekre rakva a legbelső mag elérte a kritikus hőmérsékletet és sűrűséget, és összetett mintában kényszerítette az atommagokat, meggyulladva a magfúzió során és a nyersanyagot héliummá alakítva. Ez a heves folyamat egy kis energiát is felszabadított, és egy pillanat alatt megszületett az első csillag.
A Nagyrobbanás első tucat percje óta először történt nukleáris reakciók világegyetemünkben. Az új fényforrások, amelyek a kozmoszt pontozták, az egyszer üres üregeket sugárzással elöntötték. De nem vagyunk biztosak abban, hogy mikor történt ez a emlékezetes esemény; e korszak megfigyelése rendkívül nehéz. Először is, a hatalmas kozmológiai távolságok megakadályozzák, hogy még a legerősebb távcsöveink is megfigyeljék ezt az első fényt. Sőt, ami még rosszabbá teszi, hogy a korai világegyetem szinte teljesen semleges volt, és a semleges gáz elsősorban nem bocsát ki sok fényt. Csak akkor, amikor a csillagok több generációja ragaszkodik egymáshoz, galaxisokká alakul, még halvány utat is kaphatunk erről a fontos korról.
Arra gondolunk, hogy az első csillagok a világegyetem első néhány százmillió éve alatt valahol létrejöttek. Nem sokkal később közvetlen megfigyelések vannak a galaxisokról, az aktív galaktikus atommagokról és még a galaxiscsoportok kezdeteiről is - a legtömegesebb struktúrákról, amelyek végül létrejönnek az univerzumban. Valamikor előttük az első csillagoknak meg kellett érkezniük, de nem túl korán, mert a csecsemő világegyetem záró körülményei megakadályozhatták volna azok kialakulását.
A láthatáron
Noha a közelgő James Webb Űrtávcső nagy pontossággal képes pontos időben meghatározni a korai galaxisokat, rengeteg adatot szolgáltatva a korai világegyetemről, a távcső szűk látótere nem fogja adni nekünk a korszak teljes képét. A tudósok azt remélik, hogy a legkorábbi galaxisok tartalmazhatnak a legelső csillagok maradványait - vagy akár magukat a csillagokat is, de meg kell várnunk és (szó szerint) látnunk kell.
A kozmikus hajnal feloldásának másik módja a semleges hidrogén meglepő gördülése. Amikor az elektron és a proton kvantumpörgetése véletlenszerűen megfordul, a hidrogén nagyon specifikus hullámhosszú sugárzást bocsát ki: 21 centiméter. Ez a sugárzás lehetővé teszi számunkra, hogy feltérképezzük a semleges hidrogén zsebeit a mai Tejútban, ám a kozmikus hajnal korszakához vezető extrém távolságok összesen más kihívást jelentenek.
A baj az, hogy a világegyetem kibővült a hosszú halott korszak óta, melynek eredményeként az összes galaktikus sugárzás hosszabb hullámhosszra húzódik ki. Manapság ennek az elsődleges semleges hidrogénjelnek körülbelül 2 méter hullámhossza van, és a jelet szilárdan a rádió sávokba helyezi. És sok más dolog az univerzumban - a szupernóvák, a galaktikus mágneses mezők, a műholdak - elég hangosak ugyanazon a frekvencián, eltakarva az univerzum korai éveinek halk jeleit.
Számos küldetés van a világ körül, hogy megpróbálják otthont adni ennek a lédús kozmikus hajnalnak a jele, kiásni az ő első suttogását a mai kakofóniából, és felfedni az első csillagok születését. De egyelőre csak meg kell várnunk és hallgatnunk kell.
Tudjon meg többet, ha meghallgatja a "Mi ébresztette a kozmikus hajnalt?" Című részt. az Ask A Spaceman podcaston, amely elérhető az iTuneson és a weben a http://www.askaspaceman.com címen. Köszönet Joyce S.-nak a kérdésekhez, amelyek a darabhoz vezettek! Tegye fel saját kérdését a Twitteren a #AskASpaceman segítségével, vagy Paul @ PaulMattSutter és a facebook.com/PaulMattSutter követésével. Kövessen minket @Spacedotcom, a Facebook és a Google+. Eredeti cikk a Space.com oldalon.
