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. U ranom Svemiru treba stotine milijuna godina da Svemir u potpunosti postane transparentan prema svjetlu. (NASA, ESA I HUBBLE nasledstvo (STSCI / AURA) -ESA / HUBBLE SURADNJA; ZAHVALA: R. O’CONNELL (SVEUČILIŠTE VIRGINIJE) I NAUČNI NADZORNI ODBOR WFC3)

Kada je svemir postao transparentan prema svjetlu?

Dva su različita odgovora, ovisno o tome kako ih mjerite.

Ako želite vidjeti što je svemir u Svemiru, prvo morate biti u mogućnosti vidjeti. Danas smatramo da je Svemir transparentan prema svjetlu i da svjetlost iz udaljenih objekata može nesmetano putovati kroz svemir prije nego što dopre do naših očiju. Ali nije uvijek bilo tako

Zapravo postoje dva načina na koji Svemir može spriječiti da se svjetlost širi ravne linije. Jedan je ispuniti Svemir slobodnim, nevezanim elektronima. Svjetlost će se tada raspršiti s elektronima odskakati u nasumično određenom smjeru. Drugi je ispuniti Svemir neutralnim atomima koji se mogu savijati i grupirati. Svjetlost će tada biti blokirano ovim materijalom, na isti način na koji je većina čvrstih predmeta neprozirna. Naš stvarni Univerzum čini i jedno i drugo i neće postati transparentan sve dok se obje prepreke ne savladaju.

Neutralni atomi nastali su samo nekoliko stotina tisuća godina nakon Velikog praska. Prve su zvijezde ponovo počele ionizirati te atome, ali bilo je potrebno stotine milijuna godina formirajući zvijezde i galaksije dok taj proces, poznat kao reonizacija, nije završen. (HIDROGENSKI IZVOR REIONIZACIJSKE NOSAČA (HERA))

U najranijim fazama Svemira, atomi koji čine sve što znamo o njemu nisu bili spojeni u neutralnim konfiguracijama, već su bili ionizirani: u stanju plazme. Kada svjetlost putuje kroz dovoljno gustu plazmu, raspršit će se elektroni, apsorbirati se i ponovno emitirati u raznim nepredvidivim smjerovima. Sve dok postoji dovoljno slobodnih elektrona, fotoni koji teku kroz Svemir nastavit će se nasumično udarati.

Međutim, tijekom tih ranih faza dolazi do nadmetanja. Ova plazma je izrađena od elektrona i atomskih jezgara, a za njih je energetski pogodno povezivanje. Povremeno, čak i u ovim ranim vremenima, rade upravo to, samo što daje ulaz dovoljno energičnog fotona koji ih je u stanju još jednom razdvojiti.

Kako se tkanina Univerzuma širi, tako se protežu i valne duljine bilo kojeg prisutnog zračenja. To uzrokuje da svemir postaje manje energetski, i čini mnoge visokoenergetske procese koji se spontano događaju u ranim vremenima nemoguće u kasnijim, hladnijim epohama. Potrebno je stotinama tisuća godina da se Svemir dovoljno ohladi da bi se mogli formirati neutralni atomi. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Kako se svemir širi, on ne samo da postaje manje gust, već i čestice unutar njega postaju manje energetske. Kako se sama površina tkiva proširuje, ona utječe na svaki foton koji putuje kroz taj prostor. Budući da se energija fotona određuje njegovom valnom duljinom, tada se ta valna dužina rasteže, foton se pomiče - crveno pomaknuto - u niže energije.

Potom je samo pitanje vremena dok se svi fotoni u Svemiru ne spuste ispod kritičnog praga energije: energije potrebne za uklanjanje elektrona iz pojedinih atoma koji postoje u ranom Svemiru. Potrebne su stotine tisuća godina nakon Velikog praska da fotoni izgube dovoljno energije kako bi stvaranje neutralnih atoma bilo čak moguće.

U ranim vremenima (lijevo), fotoni se raspršuju elektroni i dovoljno su visoki energije da mogu vratiti bilo koje atome u ionizirano stanje. Jednom kada se Svemir dovoljno ohladi i lišen je tako visokoenergetskih fotona (desno), oni ne mogu komunicirati s neutralnim atomima. Umjesto toga, oni jednostavno slobodno lete kroz svemir u nedogled, jer imaju pogrešnu valnu duljinu da ove atome pobuđuju na višu energetsku razinu. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Tijekom tog vremena događaju se mnogi kozmički događaji: najraniji nestabilni izotopi propadaju radioaktivno; materija postaje energetski važnija od zračenja; gravitacija počinje povlačiti tvar u grozdove dok seme strukture počne rasti. Kako se fotoni sve više mijenjaju crvenilom, pojavljuje se još jedna barijera neutralnim atomima: fotoni se emitiraju kada se elektroni prvi put vežu za protone. Svaki put kada se elektron uspješno veže s atomskom jezgrom, čini dvije stvari:

  1. Emitira ultraljubičast foton, jer atomski prijelazi uvijek padaju u energetskim razinama na predvidljiv način.
  2. Bombardiraju ga druge čestice, uključujući milijarde ili više fotona koji postoje za svaki elektron u Svemiru.

Svaki put kada stvorite stabilan, neutralan atom, on emitira ultraljubičasti foton. Ti se fotoni nastavljaju, u pravoj liniji, sve dok ne naiđu na još jedan neutralni atom, koji potom ioniziraju.

Kad se slobodni elektroni rekombiniraju s vodikovim jezgrama, elektroni kaskadno spuštaju energetske razine emitirajući fotone dok prolaze. Da bi se u ranom Svemiru mogli formirati stabilni, neutralni atomi, oni moraju stići do osnovnog stanja bez stvaranja ultraljubičastog fotona koji bi mogao ionizirati još jedan identičan atom. (BRIGHTTERORANGE & ENOCH LAU / WIKIMDIA COMMONS)

Ne postoji neto dodavanje neutralnih atoma kroz ovaj mehanizam, i samim tim svemir ne može postati transparentan za svjetlost kroz ovaj put. Tu dolazi još jedan efekt koji dominira. To je izuzetno rijetko, ali s obzirom na sve atome u Svemiru i više od 100 000 godina koliko je potrebno da atomi konačno i stabilno postanu neutralni, to je nevjerojatan i zamršen dio priče.

Većinom puta, u atomu vodika, kada imate elektron koji zauzima prvo pobuđeno stanje, on se jednostavno spušta do stanja s najnižom energijom, emitujući ultraljubičast foton specifične energije: Lyman alfa foton. Ali otprilike jedanput u 100 milijuna prijelaza, pad će se dogoditi različitim putem, umjesto da emitiraju dva fotona niže energije. To je poznato kao propadanje ili tranzicija s dva fotona i ono je prvenstveno odgovorno za to što je Svemir postao neutralan.

Kad prelazite iz

Kad emitirate jedan foton, on se gotovo uvijek sudara s drugim atomom vodika, uzbuđujući ga i na kraju dovodeći do njegove rejonizacije. Ali kad emitirate dva fotona, vrlo je malo vjerojatno da će oba istovremeno pogoditi atom, što znači da umrežite jedan dodatni neutralni atom.

Ovaj prijelaz s dva fotona, iako je to rijetkost, postupak je kojim se formiraju neutralni atomi. Vodi nas od vrućeg, plazme napunjenog svemira do gotovo jednako vrućeg Svemira ispunjenog 100% neutralnim atomima. Iako kažemo da je Svemir stvorio te atome 380.000 godina nakon Velikog praska, ovo je zapravo bio spor, postupan proces koji je trajao oko 100.000 godina s obje strane te figure. Jednom kada su atomi neutralni, ne preostaje više ništa za svjetlost Velikog praska. Ovo je izvor CMB: kozmička mikrovalna pozadina.

Univerzum u kojem su elektroni i protoni slobodni i sudaraju se s prijelazima fotona u neutralni koji je transparentan fotonima dok se Univerzum širi i hladi. Ovdje je prikazana ionizirana plazma (L) prije emitiranja CMB-a, nakon čega slijedi prijelaz u neutralni Svemir (R) koji je transparentan fotonima. Raspršivanje između elektrona i elektrona, kao i elektrona i fotona, može se dobro opisati Diracovom jednadžbom, ali interakcije fotona i fotona koje se događaju u stvarnosti nisu. (AMANDA YOHO)

To označava prvi put da Svemir postaje transparentan prema svjetlu. Ostavljeni fotoni iz Velikog praska, koji su sada dugački u valnoj duljini i imaju malo energije, napokon mogu slobodno putovati kroz Svemir. Sa slobodnim elektronima - vezanim u stabilne, neutralne atome - fotoni ih nemaju što zaustaviti ili usporiti.

Ali neutralni su atomi sada svugdje i oni služe podmukle svrhe. Iako mogu učiniti Svemir prozirnim za ove fotone niske energije, ti će se atomi skupiti u molekularne oblake, prašinu i skupljanje plina. Neutralni atomi u tim konfiguracijama mogu biti transparentni za svjetlost niske energije, ali svjetlost više energije, poput one koju zrače zvijezde, apsorbira ih.

Ilustracija prvih zvijezda koje su se uključile u Svemir. Bez metala za hlađenje zvijezda, samo najveći krugovi unutar oblaka velike mase mogu postati zvijezde. Sve dok nije prošlo dovoljno vremena da gravitacija utječe na veće ljestvice, samo male ljestvice mogu rano formirati strukturu, a same zvijezde će vidjeti svoju svjetlost koja ne može probiti jako daleko kroz neproziran Svemir. (NASA)

Kada su svi atomi u Svemiru sada neutralni, oni obavljaju zadivljujuće dobar posao blokirajući zvjezdanu svjetlost. Ista dugoočekivana konfiguracija koju smo zahtijevali da svemir postane transparentan čini ga opet neprozirnim fotonima različite valne duljine: ultraljubičastom, optičkom i blisko infracrvenom svjetlošću koju proizvode zvijezde.

Da bismo Svemir učinili prozirnim za ovu drugu vrstu svjetla, morat ćemo ih još jednom ionizirati. To znači da nam je potrebno dovoljno visokoenergetsko svjetlo da bismo izbacili elektrone iz atoma u koje su vezani, što zahtijeva intenzivan izvor ultraljubičastog zračenja.

Drugim riječima, Svemir mora oblikovati dovoljno zvijezda da uspješno reionizira atome u njemu, čineći gipku medgalaktičku sredinu niske gustoće prozirnom za zvijezdu.

Ovaj prikaz sa četiri ploče prikazuje središnju regiju Mliječne staze u četiri različite valne duljine svjetla, s duljim (submilimetarskim) valnim duljinama na vrhu, prolazeći kroz udaljeni i blizu infracrveni (2. i 3.) i završavajući u vidljivom svjetlu Mliječnog puta. Imajte na umu da prašine i prednje zvijezde zatamnjuju središte vidljivom svjetlošću, ali ne toliko infracrvenom. (ESO / ATLASGAL CONSORTIUM / NASA / GLIMPSE CONSORTIUM / VVV PREGLED / ESA / PLANCK / D. MINNITI / S. PRIZNANJE GISERA: IGNACIO TOLEDO, MARTIN KORNMESSER)

To vidimo čak i u našoj vlastitoj galaksiji: galaktički centar se ne može vidjeti u vidljivoj svjetlosti. Galaktička ravnina bogata je neutralnom prašinom i plinom, što je izuzetno uspješno za blokiranje ultraljubičastog i vidljivog svjetla više energije, ali infracrveno svjetlo prolazi jasno. To objašnjava zašto kozmička mikrovalna pozadina neće apsorbirati neutralne atome, ali zvijezda će svjetlost.

Srećom, zvijezde koje oblikujemo mogu biti masivne i vruće, gdje su one najmasovnije mnogo svjetlije i toplije od našeg Sunca. Rane zvijezde mogu biti nekoliko desetaka, stotina, pa čak i tisuću puta masivnije od našeg vlastitog Sunca, što znači da mogu dostići površinske temperature od nekoliko desetaka tisuća stupnjeva i svjetline koje su milijunima puta blistavije od našeg Sunca. Ti behemoti su najveća prijetnja neutralnim atomima koji se šire diljem Svemira.

Prve zvijezde u Svemiru bit će okružene neutralnim atomima (većinom) vodikovog plina koji apsorbira zvjezdanu svjetlost. Vodik čini Svemir neproziran vidljivim, ultraljubičastim i velik dio infracrvenog svjetla, ali svjetlost duge valne duljine, kao što je radio-svjetlost, može nesmetano prenijeti. (NIKOLE RAGER FULLER / NATIONAL FONDATION SCIENCE)

Ono što se trebamo dogoditi je da dovoljno zvijezda formira da mogu potopiti Svemir dovoljnim brojem ultraljubičastih fotona. Ako mogu ionizirati dovoljno ove neutralne materije koja ispunjava intergalaktički medij, mogu očistiti put u svim smjerovima kako bi svjetlost zvijezde mogla nesmetano putovati. Štoviše, mora se dogoditi u dovoljnim količinama da se ionizirani protoni i elektroni ne mogu ponovno skupiti. Nema mjesta za Shenanigane u stilu Ross-and-Rachel u nastojanju da reioniziraju svemir.

Prve zvijezde čine malu udubinu u tome, ali najraniji zvjezdani grozdovi su mali i kratkotrajni. Prvih nekoliko stotina milijuna godina našeg Svemira, sve zvijezde koje se formiraju jedva se mogu udubiti u toliki dio materije u Svemiru ostaje neutralan. Ali to se počinje mijenjati kada se zvjezdani grozdovi spajaju zajedno, tvoreći prve galaksije.

Ilustracija CR7, prve otkrivene galaksije za koju se mislilo da sadrži zvijezde Stanovništva III: prve zvijezde ikada formirane u Svemiru. JWST će otkriti stvarne slike ove galaksije i drugih sličnih te će moći vršiti mjerenja tih objekata čak i tamo gdje reonizacija još nije završena. (ESO / M. KORNMESSER)

Dok se veliki grozdovi plina, zvijezde i druge materije spajaju zajedno, oni pokreću ogroman prasak formiranja zvijezda, osvjetljavajući Svemir kao nikad do sada. Kako vrijeme prolazi, niz pojava odvija se odjednom:

  • regije s najvećim zbirkama materije privlače još više ranih zvijezda i zvjezdanih grozdova prema njima,
  • regije koje još nisu formirale zvijezde mogu početi,
  • i regije u kojima su napravljene prve galaksije privlače druge mlade galaksije,

a sve to služi za povećanje ukupne stope formiranja zvijezda.

Ako bismo u ovom trenutku mapirali Svemir, ono što bismo vidjeli je da se stopa nastajanja zvijezda povećava relativno konstantnom brzinom prvih nekoliko milijardi godina postojanja Univerzuma. U nekim povoljnim regijama dovoljno materije se ionizira dovoljno rano da je kroz Svemir možemo vidjeti prije nego što se većina regija reonizira; u drugima može potrajati dvije ili tri milijarde godina da bi se posljednja neutralna materija ispuhala.

Kada biste mapirali neutralnu materiju svemira od početka Velikog praska, otkrili biste da on počinje prelaziti u joniziranu tvar u grudicama, ali također biste otkrili da je stotinama milijuna godina uglavnom trebalo da nestanu. To se događa neujednačeno i preferirano na lokacijama najgušćih dijelova kozmičke mreže.

Shematski dijagram povijesti Univerzuma, naglašavajući rejonizaciju. Prije formiranja zvijezda ili galaksija, Svemir je bio pun neutralnih atoma koji blokiraju svjetlost. Iako se većina Svemira nije reonizirala tek 550 milijuna godina nakon toga, neke regije će postići punu reonizaciju ranije, a druge će ga ostvariti tek kasnije. Prvi veliki valovi reonizacije počinju se događati u dobi od oko 250 milijuna godina, dok se nekoliko sretnih zvijezda može stvoriti tek između 50 do 100 milijuna godina nakon Velikog praska. Pomoću pravih alata, poput James Webb svemirskog teleskopa, možda ćemo početi otkrivati ​​najranije galaksije. (S. G. DJORGOVSKI ET AL., CALTECH DIGITAL MEDIA CENTER)

U prosjeku, potrebno je 550 milijuna godina od početka Velikog praska da Svemir postane reioniziran i proziran od zvijezda. To vidimo iz promatranja ultra udaljenih kvazara, koji i dalje pokazuju svojstva apsorpcije koja uzrokuje samo neutralna, interventna materija. Ali reonizacija se ne događa svugdje odjednom; dostiže završetak u različito vrijeme u različitim smjerovima i na različitim mjestima. Svemir je neujednačen, pa tako i zvijezde, galaksije i nakupine materije koje se tvore u njemu.

Svemir je postao proziran za svjetlo preostalo od Velikog praska kad je bilo staro oko 380 000 godina, a nakon toga je ostao transparentan na svjetlost duge valne duljine. Ali tek kada je Svemir dosegnuo oko pola milijarde godina, postao je potpuno transparentan prema zvjezdanoj svjetlosti, pri čemu su neke lokacije ranije doživljavale transparentnost, a druge kasnije.

Za ispitivanje izvan ovih granica potreban je teleskop koji ide na veće i duže valne duljine. Uz malo sreće, svemirski teleskop James Webb konačno će otvoriti naše oči prema Svemiru kakav je bio u ovo doba između kojeg je prozirno sjaj Velikog praska, ali ne i svjetlost zvijezda. Kad otvori oči o Svemiru, konačno možemo saznati kako je Svemir odrastao tijekom ovih slabo razumljenih mračnih doba.

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.