Umjetnikova koncepcija o tome kako bi mogao izgledati Univerzum, jer prvi put tvori zvijezde. Iako još nemamo izravnu sliku, novi neizravni dokazi iz radio astronomije ukazuju na postojanje ovih zvijezda koje su se uključivale kada je Svemir bio star između 180 i 260 milijuna godina. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC))

Najraniji dokazi za zvijezde Sruše Hubbleeve zapise i bodove na tamnu stvar

Posredno otkriće bilo je potpuno neočekivano i, ako odustane, moglo bi dati Jamesov Webb svemirski teleskop svoj prvi mučni cilj.

U potrazi za razumijevanjem našeg Svemira i priče o tome odakle potječemo na kozmičkoj ljestvici, dva su najvažnija pitanja od čega je Svemir sastavljen i kako su nastale prve zvijezde. To su povezana pitanja, jer zvijezde možete formirati samo ako imate dovoljno materije da se gravitaciono uruši, pa čak i pri tome, stvar mora biti dovoljno gusta i hladna da bi taj proces mogao funkcionirati. Najranije zvijezde koje smo ikada izravno otkrili potječu iz snimka svemirskog teleskopa Hubble ultra udaljene galaksije GN-z11, čija svjetlost dolazi od nas kada je Svemir bio star samo 400 milijuna godina: 3% njegove trenutne starosti. Danas, nakon dvije godine pomne analize, u časopisu Nature objavljeno je istraživanje Judda D. Bowmana i suradnika, koje je najavilo neizravno otkrivanje zvjezdanog svjetla iz vremena kada je Svemir bio star samo 180 milijuna godina, gdje detalji podržavaju postojanje i prisustvo mraka smeta.

Shematski dijagram povijesti Univerzuma, naglašavajući rejonizaciju. Prije formiranja zvijezda ili galaksija, Svemir je bio pun neutralnih atoma koji blokiraju svjetlost. Iako većina Svemira nije ponovno započela aktivirati tek 550 milijuna godina nakon toga, nekoliko srećnih područja uglavnom se reionizira u mnogo ranijim vremenima. (SG Đorgovski i dr., Caltech Digital Media Center)

Povratak prvim zvijezdama je složen zadatak, jer čitav niz faktora djeluje protiv vas. Za jedan se svemir širi, što znači da čak i najenergičnija ultraljubičasta svjetlost koju zrače zvijezde ima svoju valnu duljinu rastegnutu kako se tkanina svemira proteže. Dok ta svjetlost putuje na Zemlju, ona se premješta u vidljivi, blizu infracrvenog zračenja, a na kraju i u srednju infracrvenu svjetlost prije nego što stigne u naše oči, čineći je nevidljivom za većinu teleskopa. Drugim riječima, Svemir je u najranijim vremenima ispunjen neutralnim atomima, što znači da apsorbira (i neproziran je) zvjezdanu svjetlost. Samo je stalna izloženost energetskim, ionizirajućim fotonima koja omogućuju da Svemir postane transparentan. Ova kombinacija efekata već znači da Hubble nikada ne može vidjeti prve zvijezde.

Prve zvijezde u Svemiru bit će okružene neutralnim atomima (većinom) vodikovog plina koji apsorbira zvjezdanu svjetlost. Vodik čini Svemir neproziran vidljivim, ultraljubičastim i velikim dijelom infracrvenog svjetla, ali radio svjetlost može neometano prenijeti. (Nicole Rager Fuller / Nacionalna zaklada za znanost)

Ako želimo izravno vidjeti ovo svjetlo, nemamo drugog izbora nego gledati vrlo velike valne duljine ultra osjetljivim svemirskim teleskopom: upravo onakav kakav je dizajniran James Webb! No s obzirom da je James Webb još uvijek na terenu, prolazeći svoju posljednju seriju testova i spreman je za lansiranje, bit će najmanje još 18 mjeseci prije nego što bude mogao potražiti ove rane zvijezde i galaksije. Zbog pametnog učinka, međutim, neutralni atomi koje ultraljubičasti, optički i infracrveni teleskopi teže da vide kroz zapravo daju signal koji možemo detektirati: vrlo posebnu emisijsku liniju u radio dijelu spektra, na valnoj duljini od 21 centimetar , Fizika kako to funkcionira je spektakularna.

Mlada regija koja tvori zvijezde pronađena je unutar našeg vlastitog Mliječnog puta. Zapamtite kako se materijal oko zvijezda ionizira, a s vremenom postaje proziran za sve oblike svjetlosti. Dok se to ne dogodi, okolni plin apsorbira zračenje, emitirajući vlastitu svjetlost različitih valnih duljina. (NASA, ESA i Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble suradnja; potvrda: R. O'Connell (Sveučilište u Virginiji) i Odbor za znanstveni nadzor WFC3)

Kad tvore zvijezde, oni daju energiju svim atomima, molekulama, ionima i ostalim česticama koje ih okružuju. U najranijim fazama svemira, 92% postojećih atoma (po broju) su atomi vodika: jedan proton s jednim elektronom koji oko njega kruži. Zvjezdana svjetlost koja se najprije emitira ioniziraće dio atoma, ali će također izazvati generički efekt apsorpcije, pri čemu će se elektroni unutar atoma potisnuti u stanje više energije. Kako se elektroni ponovno priležu za protone i / ili padnu u osnovno stanje, što oni rade spontano, postoji vjerojatnost za 50/50 da će se oni zavrtati s okretanjem ili poravnati sa spinovima središnjeg protona. Ako se budu poravnali, ostat će tamo zauvijek. Ali ako se poravnaju, na kraju će se okrenuti, emitirajući vrlo specifičan kvant energije s valnom duljinom od 21 centimetar.

Linija vodika od 21 centimetar nastaje kada se atom vodika koji sadrži kombinacija protona / elektrona s poravnanim okretima (odozgo) okreće tako da ima spravljene centrifuge (dno), emitirajući jedan određeni foton vrlo karakteristične valne duljine. (Tiltec iz Wikimedia Commonsa)

Ovo svojstvo emisije fotona trebalo bi nesmetano putovati kroz Svemir, dopirući do naših očiju nakon što smo ga pomaknuli i razvukli na još veće valne duljine. Prvi put je prosjek radio emisije cijelog neba snimljen do neviđene osjetljivosti, a ovaj se ultra udaljeni potpis nevjerojatno pokazao! Prikupljeni podaci pokazuju da ovaj neutralni vodikov plin emitira ovu 21-centimetrsku crtu u vrlo specifičnom trajanju: od crvenog pomaka od 15 do 20 ili starosti svemira između 180 i 260 milijuna godina. Prvi put imamo stvarne podatke koji pokazuju kada su se najstarije zvijezde formirale u dovoljno velikom obimu da bi počele utjecati na neutralni plin u Svemiru.

Ogromni 'pad' koji vidite na grafu ovdje, izravan je rezultat najnovije studije Bowmana i sur. (2018.), pokazuje nepogrešivi signal emisije 21 cm od vremena kada je Svemir bio star između 180 i 260 milijuna godina. To odgovara, vjerujemo, uključivanju prvog vala zvijezda i galaksija u svemiru. (JD Bowman i sur., Nature, 555, L67 (2018))

Podaci također pokazuju temperaturu plina, koja se čini mnogo hladnijom nego što to predviđaju naši standardni modeli. To se može objasniti na nekoliko načina, uključujući:

  • zračenje zvijezda i ostataka zvijezda,
  • toplije od očekivane kozmičke pozadine zračenja,
  • ili dodatnog hlađenja zbog interakcije između normalne i tamne materije.

Prva je mogućnost dobro razumljiva i malo je vjerojatno da će to utjecati, dok je druga izmjerena do nevjerojatne preciznosti i lako je isključena. Ali treće bi objašnjenje mogao biti dugo traženi trag o svojstvima čestica koje posjeduje tamna tvar.

Stvaranje kozmičke strukture, kako na velikim tako i na malim, vrlo ovisi o načinu na koji djeluju tamna i normalna tvar. S promatranim, hladnim temperaturama neutralnog plina koji emitira liniju 21 cm, to može biti naslutiti da tamna i normalna tvar djeluju kako bi hladili plin na nov, neočekivan način. (Illustris suradnja / Illustris simulacija)

Ali, kao i kod svih stvari, važno je biti oprezan. Očekuje se da će se hlađenje odvijati različito u oblaku plina kad se sastoji samo od vodika u odnosu na onu kada sadrži teške elemente, ali svi oblaci koje smo ranije promatrali sadrže ove teške elemente; formirali su prethodne generacije zvijezda. Nadalje, u našoj galaksiji imamo izuzetno hladna mjesta, poput maglice Boomerang, koja je jedva ~ 1 K, hladnija od čak najdubljih praznina u intergalaktičkom prostoru. S obzirom na to da su prve zvijezde vjerojatno bile vrlo različite od onih koje imamo danas, razumno je misliti da možda ne razumijemo kako djeluje zračenje zvijezda i ostataka zvijezda u ranom Svemiru, kao što mislimo i oni.

Umjetnikov dojam okoliša u ranom Svemiru nakon što je prvih nekoliko trilijuna zvijezda nastalo, živjelo i umrlo. Postojanje i životni ciklus zvijezda je primarni proces koji obogaćuje Svemir osim i samo vodika i helija, dok zračenje koje su emitirale prve zvijezde čini ga prozirnim za vidljivu svjetlost. (NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling i dr. (STECF))

Ipak, ovo je ogroman napredak i naš prvi prozor u zvijezde koje su postojale u Svemiru izvan granica Hubblea. To je nevjerojatno sugestivan i nadaman nalaz za lovce na tamnu tvar, što ukazuje na to da postoji mogućnost mjerljive interakcije između tamne i normalne materije. I daje svemirskom teleskopu James Webb nešto za traženje: populacije ranih zvijezda i galaksija koje se uključuju u određenom prozoru crvenog pomaka.

Otkrivanjem ovog 21-centimetrskog signala koji potiče iz vremena kada je Svemir bio star između 180 i 260 milijuna godina, sada smo pomaknuli vremensku traku prvih zvijezda i galaksija daleko izvan dosega naših granica izravne detekcije. Ipak, ovaj nam nalaz pomaže da bolje razumijemo kako je Svemir postao takav kakav je danas. (Nicole Rager Fuller / Nacionalna zaklada za znanost)

Iako su astronomi obično oprezni, ovaj je nalaz izazvao buru špekulacija. Avi Loeb, citiran u Associated Pressu, rekao je, "Ako je potvrđeno, ovo otkriće zaslužuje dvije Nobelove nagrade", za otkrivanje prvih dokaza tih ultra udaljenih zvijezda i za povezanost s tamnom materijom. Kao što je Katie Mack napisala u časopisu Scientific American:

To je najraniji pokazatelj bilo kakve strukture u Svemiru i izravan prozor u procese koji su doveli do toga da se sav nepresušni vodikov plin kondenzira, pod gravitacijom, u zvijezde i galaksije, i, na kraju, život.

I što je najvažnije, ovo je uvid u to što znači gurnuti unatrag granice znanosti. Prvi su dokazi za bilo što novo gotovo uvijek neizravni, slabi i teški za tumačenje. Ali ovi neobjašnjivi signali imaju moć objasniti ono što još ne razumijemo u potpunosti: kako je Svemir postao takav kakav je danas. Svemir nam je prvi put dao promatrački trag o tome gdje i kada i što treba tražiti. Na nama je da napravimo sljedeći korak.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.