Kako vrijeme prolazi udesno s lijeva, ova vizualizacija prikazuje stvaranje prvih zvijezda iz izmaglice neutralnog vodika nakon kozmičke zore svemira.
(Slika: © NASA / STScI)
Paul Sutter je astrofizičar sa Sveučilišta Ohio State i glavni znanstvenik u znanstvenom centru COSI. Sutter je također domaćin časopisa Ask Spaceman i Space Radio i vodi AstroTours širom svijeta. Sutter je ovaj članak pridodao stručnim glasovima Space.com-a: Op-Ed & Insights.
Možda je najveće otkriće u posljednjih stotinu godina proučavanja svemira to što se naš dom mijenja i razvija s vremenom. I to ne samo na manje, beznačajne načine poput zvijezda koje se kreću, plinoviti oblaci koji se stlaču i masivne zvijezde koje umiru u kataklizmičkim eksplozijama. Ne, čitav naš svemir je više puta mijenjao svoj temeljni karakter u dalekoj prošlosti, potpuno promijenivši svoje unutarnje stanje na globalnoj - tj. Univerzalnoj - ljestvici.
Uzmimo, primjerice, činjenicu da u jednom maglovitom, loše pamćenom prošlosti nije bilo zvijezda.
Prije prvog svjetla
Znamo ovu jednostavnu činjenicu zbog postojanja kozmičke mikrovalne pozadine (CMB), kupelji slabog, ali upornog zračenja koji natapa čitav svemir. Ako naiđete na slučajni foton (malo svjetla), postoji velika vjerojatnost da je iz CMB - ta svjetlost zauzima više od 99,99 posto svih zračenja u svemiru. To je ostatak koji je ostao iz vremena kad je svemir bio star samo 270.000 godina, a prešao je iz vruće, valjane plazme u neutralnu juhu (bez pozitivnog ili negativnog naboja). Taj je prijelaz ispuštao bijelo vruće zračenje koje se tijekom 13,8 milijardi godina hladilo i prostiralo u mikrovalne, pružajući nam pozadinsko svjetlo koje danas možemo detektirati. [Pozadina kozmičke mikrovalne: Objašnjena religija velikog praska (Infographic)]
U vrijeme izlaska CMB-a, svemir je bio oko milijun dana svog sadašnjeg volumena i tisućama stupnjeva topliji. Također je bila gotovo ujednačena, s razlikama gustoće ne većim od 1 dijela u 100.000.
Dakle, ne baš stanje u kojem bi zvijezde sretno mogle postojati.
Mračno doba
U milijunima godina nakon objavljivanja CMB-a (afektivno poznat kao "rekombinacija" u astronomskim krugovima, zbog povijesnog nesporazuma još ranijih epoha), svemir je bio u neobičnom stanju. Postojala je uporna kupka od bijelog vrućeg zračenja, ali to je zračenje brzo hladilo dok je svemir nastavio neumoljivo širenje. Bilo je tamne materije, naravno, družiti se razmišljajući o vlastitom poslu. A tu je sada neutralan plin, gotovo u potpunosti vodik i helij, napokon otpušten iz svojih borbi s zračenjem i slobodan raditi kako želi.
A ono što je rado bilo jest družiti se sa što većim dijelom sebe. Srećom, nije moralo raditi jako: u vrlo ranom svemiru mikroskopska kvantna kolebanja se povećala i postala tek male razlike u gustoći (a zašto se to dogodilo, priča je za neki drugi dan). Te sitne razlike u gustoći nisu utjecale na veće kozmološko širenje, ali utjecale su na život tog neutralnog vodika. Svaka zakrpa koja je bila nešto gušća od prosjeka - čak i sitnim, sitnim sitnicama - imala je nešto snažniji gravitacijski potez prema susjedima. To pojačano povlačenje ohrabrilo je više plina da se pridruži stranci, što je pojačalo gravitacijski tegljač, što je ohrabrilo još više susjeda i tako dalje.
Poput glasne glazbe na kućnoj zabavi koja djeluje kao pjesma sirene kako bi se potaknulo više otkrivača, tijekom milijuna godina bogati je plin postajao sve bogatiji, a siromašni plin siromašnijim. Jednostavnom gravitacijom rastu malene razlike u gustoći, gradeći prve masivne aglomeracije materije i ispraznivši svoje okruženje.
"Kozmička zora" se ruši
Negdje, negdje, neki komad neutralnog vodika imao je sreće. Nakupljajući slojeve na neodoljivim slojevima na sebi, unutrašnja jezgra dosegla je kritičnu temperaturu i gustoću, prisiljavajući atomske jezgre zajedno u kompliciranom uzorku, palivši se u nuklearnu fuziju i pretvarajući sirovinu u helij. Taj je jezivi proces također oslobodio malo energije, a u tren oka rodila se i prva zvijezda.
Prvi put nakon prvih desetak minuta Velikog praska, nuklearne reakcije odvijale su se u našem svemiru. Novi izvori svjetlosti, koji su isisavali kosmos, poplavili su nekoć praznu prazninu zračenjem. Ali nismo baš sigurni kada se dogodio taj važan događaj; promatranja ove epohe izuzetno su teška. Za prvo, ogromne kozmološke udaljenosti sprječavaju čak i naše najmoćnije teleskope da promatraju tu prvu svjetlost. Ono što još više pogoršava to što je rani svemir bio gotovo u potpunosti neutralan, a neutralni plin uopće ne emitira puno svjetla. Tek što se više generacija zvijezda ne sjedine zajedno, formirajući galaksije, možemo čak i dobiti nagovještaj ove važne dobi.
Sumnjamo da su se prve zvijezde formirale negdje u prvih nekoliko stotina milijuna godina svemira. Nije mnogo kasnije da imamo izravna promatranja galaksija, aktivnih galaktičkih jezgara, pa čak i početaka grozdova galaksija - najmasivnijih struktura koje bi na kraju mogle nastati u svemiru. Nešto prije njih morale su stići prve zvijezde, ali ne prerano, jer bi užurbani uvjeti dječjeg svemira spriječili njihovo stvaranje.
Preko horizonta
Iako će predstojeći svemirski teleskop James Webb moći izvrsno precizno odrediti rane galaksije, nudeći obilje podataka o ranom svemiru, usko vidno polje teleskopa neće nam dati cjelovitu sliku ove ere. Znanstvenici se nadaju da bi neke od najranijih galaksija mogle sadržavati ostatke prvih zvijezda - ili čak samih zvijezda - ali morat ćemo pričekati i (doslovno) vidjeti.
Drugi način za otključavanje kozmičke zore je kroz iznenađujuću čudnost neutralnog vodika. Kada se kvantni spinovi elektrona i protona nasumično okreću, vodik emitira zračenje vrlo specifične valne duljine: 21 centimetar. Ovo zračenje omogućuje nam da mapiramo džepove neutralnog vodika u našem modernom Mliječnom putu, ali ekstremne udaljenosti do doba kozmičke zore u potpunosti predstavljaju drugačiji izazov.
Problem je što se svemir proširio od one davno mrtve ere, zbog čega se sva intergalaktička zračenja šire na veće valne duljine. Danas taj prvobitni neutralni vodikov signal ima valnu duljinu od oko 2 metra, smještajući signal čvrsto u radio-opsege. I mnoge druge stvari u svemiru - supernove, galaktička magnetska polja, sateliti - prilično su glasne na istim frekvencijama, zatamnjujući slab signal iz ranih godina svemira.
Nekoliko je misija diljem svijeta koje se pokušavaju domoći tog sočnog signala kozmičke zore, iskopati njegov iskonski šapat iz današnje kakofonije i otkriti rođenje prvih zvijezda. Ali za sada ćemo tek trebati čekati i slušati.
Saznajte više slušajući epizodu "Što je probudilo kozmičku zoru?" na podcastu Ask A Spaceman, dostupan na iTunesu i na webu na http://www.askaspaceman.com. Hvala Joyce S. na pitanjima koja su dovela do ovog djela! Postavite svoje pitanje na Twitteru koristeći #AskASpaceman ili slijedeći Paul @ PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Pratite nas @Spacedotcom, Facebook i Google+. Izvorni članak na Space.com.
