Ajan kuluessa oikealta vasemmalle, tämä visualisointi osoittaa, että ensimmäiset tähdet muodostuvat neutraalin vedyn sameudesta maailmankaikkeuden kosmisen valkeuden jälkeen.
(Kuva: © NASA / STScI)
Paul Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopistossa ja johtava tiedemies COSI-tiedekeskuksessa. Sutter on myös Ask Spacemanin ja Space Radio -sovelluksen isäntä ja johtaa AstroToursia ympäri maailmaa. Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n Expert Voices: Op-Ed & Insights -julkaisuun.
Ehkä suurin ilmoitus viimeisen sadan vuoden aikana maailmankaikkeuden tutkimisesta on, että kotimme muuttuu ja kehittyy ajan myötä. Ja ei vain pienillä, merkityksettömillä tavoilla, kuten tähtien liikkuminen, kaasupilvien tiivistyminen ja massiiviset tähdet, jotka kuolevat kataklysmisissa räjähdyksissä. Ei, koko kosmosemme on muuttanut perustavanlaatuista luonnettaan useaan otteeseen kaukaisessa menneisyydessä muuttamalla täysin sen sisäistä tilaa globaalissa - toisin sanoen universaalisessa - mittakaavassa.
Otetaan esimerkiksi se tosiseikka, että sumuisessa, huonosti muistetussa menneisyydessä ei ollut tähtiä.
Ennen ensimmäistä valoa
Tiedämme tämän yksinkertaisen tosiasian, koska on olemassa kosminen mikroaaltotausta (CMB), heikko mutta pysyvä säteilykylpy, joka imee koko maailmankaikkeuden. Jos kohtaat satunnaisen fotonin (vähän valoa), on olemassa suuri mahdollisuus, että se on CMB: stä - että valo vie yli 99,99 prosenttia kaikesta maailmankaikkeuden säteilystä. Se on jäljelle jäänyt jäännös siitä hetkestä, kun maailmankaikkeus oli vain 270 000 vuotta vanha, ja se siirtyi kuumasta, kiehuvasta plasmasta neutraaliksi keittoksi (ilman positiivista tai negatiivista varausta). Tämä muutos vapautti valkoisen kuuman säteilyn, joka 13,8 miljardin vuoden aikana jäähtyi ja venyi mikroaaltoihin, antaen meille taustavalon, jonka voimme havaita tänään. [Kosminen mikroaaltotausta: Big Bang Relic Explained (Infographic)]
CMB: n julkaisuhetkellä maailmankaikkeus oli noin miljoonaosa nykyisestä tilavuudestaan ja tuhansia asteita kuumempia. Se oli myös melkein täysin tasainen, tiheyserojen ollessa enintään 1 osa 100 000: sta.
Joten, ei tarkalleen tilassa, jossa tähdet voisivat onneksi olemassa.
Pimeät aikakaudet
Miljoonien vuosien kuluessa CMB: n vapautumisesta (tunnetaan nimellä "rekombinaatio" tähtitiedepiireissä entisten aikaisempien aikakausien historiallisen väärinkäsityksen takia), maailmankaikkeus oli outo tilassa. Siellä oli hitaasti lämpimän säteilykylpy, mutta säteily jäähtyi nopeasti, kun maailmankaikkeus jatkoi kestämätöntä laajentumistaan. Oli tietysti pimeää ainetta, joka ajautui ajattelemaan omaa yritystään. Ja siellä oli nyt neutraali kaasu, melkein kokonaan vety ja helium, joka vapautettiin vihdoin säteilytaisteluistaan ja vapaasti tekemään niin kuin mielellään.
Ja mitä se oli ilo tehdä, oli viettää aikaa mahdollisimman suuren osan kanssa itsestään. Onneksi sen ei tarvinnut työskennellä kovasti: Erittäin varhaisessa maailmankaikkeudessa mikroskooppiset kvanttivaihtelut suurenivat vain pieniksi tiheyseroiksi (ja miksi näin tapahtui, se on tarina toiselle päivälle). Nämä pienet tiheyserot eivät vaikuttaneet suurempaan kosmologiseen laajentumiseen, mutta ne vaikuttivat sen neutraalin vedyn elämään. Jokaisella keskimääräistä tiheämmällä laastarilla - jopa pienellä, pienelläkin - oli hieman voimakkaampi painovoimaveto naapureihinsa. Tämä lisääntynyt vetovoima rohkaisi lisää kaasua liittymään puolueeseen, mikä vahvisti painovoimahihnaa, mikä rohkaisi entistä enemmän naapureita ja niin edelleen.
Kuten äänekäs musiikki talon juhlissa, joka toimii sireenilauluna rohkaistakseen lisää paljastajia, miljoonien vuosien aikana rikas kaasu rikastui ja huono kaasu köyhentyi. Yksinkertaisen painovoiman avulla pienet tiheyserot kasvoivat, rakentaen ensimmäiset massiiviset aineen agglomeraatiot ja tyhjentäen niiden ympäristöä.
"Kosminen kynnyksellä" tauko
Jossain, jonnekin, neutraalin vetypalan onnellinen. Kasaamalla kerrokset päällekkäisille kerroksille, sisin ydin saavutti kriittisen lämpötilan ja tiheyden pakottaen atomiytimet yhteen monimutkaisessa kuviossa, syttyen ydinfuusioon ja muuttamalla raaka-aine heliumiksi. Tuo hurja prosessi vapautti myös vähän energiaa, ja hetkessä syntyi ensimmäinen tähti.
Ydinreaktioita tapahtui maailmankaikkeudessa ensimmäistä kertaa Ison räjähdyksen ensimmäisten kymmenen minuutin jälkeen. Uudet valonlähteet, pistettäessä kosmoa, tulvivat kerran tyhjät tyhjät kohdat säteilyllä. Mutta emme ole aivan varmoja, milloin tämä merkittävä tapahtuma tapahtui; tämän aikakauden havainnot ovat erittäin vaikeita. Ensinnäkin valtavat kosmologiset etäisyydet estävät jopa tehokkaimpia kaukoputkimme tarkkailemasta ensimmäistä valoa. Pahempaa on se, että varhainen maailmankaikkeus oli melkein täysin neutraali, ja neutraali kaasu ei ensin säteile paljon valoa. Vasta useita sukupolvien tähtiä liimautuvat yhteen galaksien muodostamiseen, ja voimme saada jopa hämärän vihjeen tästä tärkeästä ajasta.
Epäilemme, että ensimmäiset tähdet muodostuivat jossain universumin muutaman sadan miljoonan vuoden aikana. Ei ole paljon myöhemmin, että meillä on suoria havaintoja galakseista, aktiivisista galaktisista ytimistä ja jopa galaksiklusterien alusta - massiivisimmista rakenteista, joita lopulta syntyy maailmankaikkeudessa. Joskus ennen ensimmäisiä tähtiä oli saapua, mutta ei liian aikaisin, koska vastasyntyneen maailmankaikkeuden kiireiset olosuhteet olisivat estäneet niiden muodostumisen.
Horisontin yli
Vaikka tuleva James Webbin avaruusteleskooppi pystyy osoittamaan varhaiset galaksit erinomaisella tarkkuudella tarjoamalla runsaasti tietoa varhaisesta maailmankaikkeudesta, kaukoputken kapea näkökenttä ei anna meille kokonaiskuvaa tästä aikakaudesta. Tutkijat toivovat, että jotkut varhaisimmista galakseista saattavat sisältää ensimmäisten tähtiä - tai jopa tähdet itse -, mutta meidän on odotettava ja (kirjaimellisesti) nähdä.
Toinen tapa avata kosminen koitto on yllättävän neutraalin vedyn muodon kautta. Kun elektronin ja protonin kvanttipiikit kääntyvät sattumanvaraisesti, vety emittoi säteilyä, jonka aallonpituus on hyvin erityinen: 21 senttimetriä. Tämän säteilyn avulla voimme kartoittaa neutraalin vedyn taskut nykypäivän Linnunradallamme, mutta äärimmäiset etäisyydet kosmisen valkeusaikaan ovat erilainen haaste.
Ongelmana on, että maailmankaikkeus on laajentunut siitä pitkään kuolleesta ajasta, joka saa kaiken galaktisen välisen säteilyn venymään pidemmälle aallonpituudelle. Nykyään tuon ensisijaisen neutraalin vedysignaalin aallonpituus on noin 2 metriä, sijoittaen signaalin tiukasti radiokaistoihin. Ja monet muut universumin asiat - supernovat, galaktiset magneettikentät, satelliitit - ovat melko äänekäs samoilla taajuuksilla, peittäen maailmankaikkeuden alkuvuosien heikon signaalin.
Maapallon ympäri tapahtuu useita tehtäviä, jotka yrittävät päästä kotiin tuon mehukkaan kosmalliseen signaaliin, kaivaa sen ensisijainen kuiskaus nykypäivän kakofoniasta ja paljastamaan ensimmäisten tähdet. Mutta toistaiseksi meidän täytyy vain odottaa ja kuunnella.
Lisätietoja kuuntelemalla jaksoa "Mikä herätti kosmisen kynnyksen?" Ask A Spaceman -podcastissa, joka on saatavana iTunesissa ja Webissä osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos Joyce S.: lle kysymykseen, joka johti tähän teokseen! Esitä oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paul @ PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Seuraa meitä @Spacedotcom, Facebook ja Google+. Alkuperäinen artikkeli Space.com-sivustolla.
