V priebehu času sprava doľava táto vizualizácia ukazuje tvorbu prvých hviezd z hmly neutrálneho vodíka po kozmickom úsvite vesmíru.
(Obrázok: © NASA / STScI)
Paul Sutter je astrofyzik na Štátnej univerzite v Ohiu a hlavný vedec vo vedeckom centre COSI. Sutter je tiež hostiteľom programu Spaceman and Space Radio a vedie spoločnosť AstroTours po celom svete. Sutter prispel týmto článkom k odborným hlasom agentúry Space.com: Op-Ed & Insights.
Možno najväčším zjavením za posledných sto rokov štúdia vesmíru je to, že náš domov sa časom mení a vyvíja. A to nielen malými, zanedbateľnými spôsobmi, ako sú pohybujúce sa hviezdy, stláčanie plynových oblakov a masívne hviezdy, ktoré pri kataklyzmatických explóziách zomierajú. Nie, celý náš vesmír zmenil svoj základný charakter viac ako raz v dávnej minulosti a úplne zmenil svoj vnútorný stav v globálnom, tj univerzálnom meradle.
Zoberme si napríklad skutočnosť, že v tom čase v hmlistej, zle spomenutej minulosti neboli žiadne hviezdy.
Pred prvým svetlom
Tento jednoduchý fakt poznáme z dôvodu existencie kozmického mikrovlnného pozadia (CMB), kúpeľa slabého, ale pretrvávajúceho žiarenia, ktoré nasiakne celý vesmír. Ak narazíte na náhodný fotón (trochu svetla), je tu veľká šanca, že je to z CMB - že svetlo zaberá viac ako 99,99% všetkého žiarenia vo vesmíre. Je to pozostatok z obdobia, keď bol vesmír len 270 000 rokov, a prešiel z horúcej vriacej plazmy do neutrálnej polievky (bez pozitívneho alebo negatívneho náboja). Tento prechod vydal žiarenie bieleho horúca, ktoré sa v priebehu 13,8 miliárd rokov ochladilo a natiahlo sa do mikrovĺn, čím sme získali pozadie svetla, ktoré dnes môžeme zistiť. [Kozmické mikrovlnné pozadie: Vysvetlenie reliéfu Big Bang (Infographic)]
V čase vydania CMB bol vesmír asi milióntinu svojho súčasného objemu a tisíce stupňov teplejšieho. Bolo to tiež takmer úplne jednotné, pričom rozdiely v hustote neboli väčšie ako 1 diel zo 100 000.
Takže to nie je presne stav, v ktorom by hviezdy mohli šťastne existovať.
Temný vek
V miliónoch rokov nasledujúcich po prepustení CMB (láskavo známych ako „rekombinácia“ v astronomických kruhoch kvôli historickému nedorozumeniu ešte skorších epoch) bol vesmír vo zvláštnom stave. Vyskytoval sa trvalý kúpeľ žiarivého žiarenia, ale toto žiarenie sa rýchlo ochladzovalo, pretože vesmír pokračoval vo svojej neúprosnej expanzii. Bola samozrejme temná hmota, ktorá visela venovaním vlastnej činnosti. A teraz bol neutrálny plyn, takmer úplne vodík a hélium, ktorý sa konečne uvoľnil zo svojich bojov s ožarovaním a mohol robiť, ako sa mu páčilo.
A potešením bolo stretnúť sa čo najviac zo seba. Našťastie to nemuselo veľmi tvrdo pracovať: Vo veľmi skorom vesmíre sa mikroskopické kvantové fluktuácie zväčšili, aby sa stali iba malými rozdielmi v hustote (a prečo sa tak stalo, je príbehom na ďalší deň). Tieto malé rozdiely hustoty neovplyvnili väčšiu kozmologickú expanziu, ale ovplyvnili životy tohto neutrálneho vodíka. Každá náplasť, ktorá bola o niečo hustejšia ako priemer - dokonca aj maličkou, maličkou kúskou - mala na svojich susedov mierne silnejšiu gravitačnú silu. Tento zvýšený ťah povzbudil viac plynu, aby sa pripojil k strane, čím sa zosilnil gravitačný remorkér, ktorý povzbudil ešte viac susedov a tak ďalej.
Rovnako ako hlasná hudba na domácom večierku, ktorý pôsobil ako pieseň sirény, aby povzbudil viac revelátorov, v priebehu miliónov rokov sa bohatý plyn obohatil a chudobný plyn sa zhoršil. Jednoduchou gravitáciou narástli malé rozdiely hustoty, vybudovali prvé masívne aglomerácie hmoty a vyprázdnili svoje okolie.
„Kozmický úsvit“ sa zlomil
Niekde, niekde, mal nejaký kus neutrálneho vodíka šťastie. Vnútorné jadro dosiahlo na drvivej vrstve seba samých a dosiahlo kritickú teplotu a hustotu, čím prinútilo atómové jadrá k sebe komplikovaným spôsobom, zapálilo jadrovú fúziu a premenu suroviny na hélium. Tento divoký proces tiež uvoľnil trochu energie a bleskom sa zrodila prvá hviezda.
Po prvý krát od prvých desiatok minút Veľkého tresku sa v našom vesmíre uskutočnili jadrové reakcie. Nové zdroje svetla, ktoré rozprestierali kozmos, zaplavili prázdne dutiny žiarením. Nie sme si však istí, kedy nastala táto významná udalosť; pozorovania tejto epochy sú nesmierne ťažké. Za prvé, veľké kozmologické vzdialenosti bránia aj našim najsilnejším ďalekohľadom pozorovať to prvé svetlo. Čo je horšie, je to, že počiatočný vesmír bol takmer úplne neutrálny a neutrálny plyn na prvom mieste nevyžaroval veľa svetla. Až niekoľko generácií hviezd sa navzájom zlepí, aby vytvorili galaxie, aby sme mohli získať len slabý náznak tohto dôležitého veku.
Máme podozrenie, že prvé hviezdy sa vytvorili niekde v priebehu niekoľkých prvých stoviek miliónov vesmíru. Nie je to o čosi neskôr, že máme priame pozorovania galaxií, aktívnych galaktických jadier a dokonca aj začiatky zhlukov galaxií - najmasívnejších štruktúr, ktoré nakoniec vzniknú vo vesmíre. Niekedy pred nimi museli prísť prvé hviezdy, ale nie príliš skoro, pretože hektické podmienky kojeneckého vesmíru by zabránili ich vzniku.
Za horizontom
Hoci nadchádzajúci vesmírny teleskop James Webb bude schopný presne určiť skoré galaxie s vynikajúcou presnosťou, ktorá ponúka veľké množstvo údajov o ranom vesmíre, úzke zorné pole ďalekohľadu nám nedá celkový obraz tejto éry. Vedci dúfajú, že niektoré z prvých galaxií môžu obsahovať zvyšky úplne prvých hviezd - alebo dokonca samotných hviezd -, ale budeme musieť počkať a (doslova) vidieť.
Ďalším spôsobom, ako odomknúť kozmické svitanie, je prekvapivý záchvat neutrálneho vodíka. Keď sa kvantové otáčania elektrónu a protónu náhodne preklopia, vodík emituje žiarenie s veľmi špecifickou vlnovou dĺžkou: 21 centimetrov. Toto žiarenie nám umožňuje zmapovať vrecká neutrálneho vodíka v našej modernej Mliečnej dráhe, ale extrémne vzdialenosti od kozmického úsvitu predstavujú úplne inú výzvu.
Problém je v tom, že vesmír sa od tej dlhoročnej éry rozšíril, čo spôsobuje, že sa intergalaktické žiarenie natiahne na dlhšie vlnové dĺžky. V súčasnosti má tento praveký neutrálny vodíkový signál vlnovú dĺžku približne 2 metre, takže signál je pevne umiestnený v rádiových pásmach. A mnoho ďalších vecí vo vesmíre - supernovy, galaktické magnetické polia, satelity - sú dosť hlasné pri rovnakých frekvenciách a zakrývajú slabý signál z prvých rokov vesmíru.
Existuje niekoľko misií po celom svete, ktoré sa snažia dostať domov na tento šťavnatý signál kozmického úsvitu, vykopať jeho prvotný šepot zo súčasnej kakofónie a odhaliť narodenie prvých hviezd. Ale zatiaľ budeme musieť počkať a počúvať.
Dozviete sa viac z počúvania epizódy „Čo prebudilo kozmické svitanie?“ na podcastu Ask A Spaceman, ktorý je k dispozícii na iTunes a na webe na adrese http://www.askaspaceman.com. Ďakujem Joyce S. za otázky, ktoré viedli k tomuto dielu! Svoju vlastnú otázku položte na Twitteri pomocou #AskASpaceman alebo sledovaním Paul @ PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sledujte nás @Spacedotcom, Facebook a Google+. Pôvodný článok o Space.com.
