В момент Большого взрыва Вселенная была заполнена материей и излучением, но в ней не было звёзд. По мере расширения и охлаждения в первую долю секунды сформировались протоны и нейтроны, в первые 3-4 минуты – атомные ядра, в первые 380 000 лет – нейтральные атомы. Спустя ещё 50-100 млн лет сформировались первые звёзды. Но Вселенная оставалась тёмной, и наблюдатели, если бы такие были, не смогли бы ничего увидеть вплоть до момента, наступившего примерно через 550 млн лет после Большого взрыва. Почему так получилось? Наш читатель интересуется:
Вот что мне интересно, так это почему Тёмные века продолжались сотни миллионов лет? Мне казалось, что они должны были длиться хотя бы на порядок меньше.
Формирование звёзд и галактик – огромный шаг для создания света, но этого недостаточно для того, чтобы закончились Тёмные века. И вот, почему.
Ранняя Вселенная была заполнена материей и излучением, и была так горяча и плотна, что мешала появляться стабильным протонам и нейтронам в первую долю секунды. После их появления и аннигиляции антиматерии, мы оказались с морем материи и излучения на руках, шнырявшим туда и сюда со скоростями, близкими к световой.
Представьте Вселенную такой, какой она была всего через несколько минут после рождения: до формирования нейтральных атомов. Пространство заполнено протонами, лёгкими ядрами, электронами, нейтрино и излучением. На этом раннем этапе происходят три важные вещи:
- Вселенная очень однородна в отношении количества материи в любом месте, и наиболее плотные участки всего на несколько стотысячных долей отличаются по плотности от наименее плотных.
- Гравитация активно стягивает материю, и в более плотных регионах присутствует дополнительная притягивающая сила.
- Излучение, по большей части в виде фотонов, расталкивает материю, сопротивляясь гравитации.
Пока у нас есть достаточно энергичное излучение, оно предотвращает формированию стабильных нейтральных атомов. Только когда расширение Вселенной охлаждает излучение достаточно сильно, нейтральные атомы перестают подвергаться немедленной реионизации.
В горячей ранней Вселенной, до формирования нейтральных атомов, фотоны рассеиваются с электронов (и, в меньшей степени, с протонов) с очень большой скоростью, перенося в процессе импульс. После формирования нейтральных атомов фотоны просто перемещаются по прямой.
После этого, спустя 380 000 лет после появления Вселенной, это излучение (по большей части фотоны) просто свободно распространяется в том же направлении, в котором они отправились в последнюю очередь, сквозь теперь уже нейтральную материю. 13,8 млрд лет спустя это остаточное свечение Большого взрыва мы наблюдаем в виде реликтового излучения. Сегодня это фоновое микроволновое излучение, поскольку длины волн растянулись из-за расширения Вселенной. Что более важно, существует распределение флуктуаций в виде горячих и холодных пятен, соответствующих более и менее плотным участкам Вселенной.
Более плотные участки, средняя плотность, и менее плотные участки, существовавшие, когда Вселенной было 380 000 лет, соответствуют холодным, средним и горячим пятнам реликтового излучения.
После формирования нейтральных атомов гравитационному коллапсу становится гораздо проще происходить, поскольку фотоны легко взаимодействуют со свободными электронами, но плохо – с нейтральными атомами. А по мере того, как фотоны охлаждаются до всё более низких энергий, важность материи для Вселенной возрастает, поэтому начинается гравитационный рост. У гравитации уходит порядка 50-100 млн лет на то, чтобы стянуть вместе достаточно много материи, а у газа – охладиться достаточно, чтобы позволить начаться коллапсу, когда формируются первые звёзды. После этого запускается ядерный синтез, и появляются первые тяжёлые элементы во Вселенной.
Крупномасштабные структуры Вселенной появляются со временем; крохотные дефекты вырастают и превращаются в первые звёзды и галактики, затем сливаются вместе, формируя крупные, современные галактики, наблюдаемые нами сегодня. Когда мы заглядываем на большие расстояния, мы видим более молодую Вселенную, похожую на прошлое нашего местного участка.
Но даже при наличии этих звёзд Вселенная находится в Тёмных веках. По чьей вине? Из-за всех этих нейтральных атомов, распределённых по Вселенной. Их порядка 1080, и хотя для низкоэнергетических фотонов, оставшихся после Большого взрыва, эта материя прозрачна, для фотонов высоких энергий, испускаемых звёздами, она непрозрачна. Именно поэтому нельзя увидеть звёзды в центре Галактики в видимом свете, но на более длинных волнах (допустим, инфракрасных) можно видеть прямо через нейтральный газ и пыль.
Четыре разных вида Млечного пути в четырёх разных длинах волн; вверху длинные (субмиллиметровые), затем дальние инфракрасные, ближние инфракрасные и видимый свет. Находящиеся на переднем плане звёзды и пылевые дорожки закрывают от нас центр Галактики в видимом свете
Чтобы Вселенная стала прозрачной для звёздного света, этим нейтральным атомам надо ионизироваться. Они уже были ионизированными когда-то давно: до того, как Вселенной было 380 000 лет, поэтому мы называем процесс их повторной ионизации реионизацией. И только когда сформируется достаточно много звёзд и будет испущено достаточно много высокоэнергетических ультрафиолетовых фотонов, этот процесс реионизации можно будет завершить, и положить конец Тёмным векам. И хотя самые первые звёзды могли появляться уже через 50-100 млн лет после Большого взрыва, наши подробные наблюдения показывают нам, что реионизация не заканчивается до тех пор, пока Вселенной не будет 550 млн лет.
Диаграмма истории Вселенной, подчёркивающая реионизацию, по-настоящему произошедшую только после формирования первых звёзд и галактик. До этого Вселенная была заполнена нейтральными атомами, блокирующими свет. Хотя большая часть Вселенной не подверглась реионизации до момента, когда ей исполнилось 550 млн лет, некоторые наиболее удачливые участки были реионизированы и ранее
Как же так получилось, что самые ранние галактики, которые мы видим, появились, когда Вселенной было всего 400 млн лет? И как телескоп Джеймса Уэбба сможет заглядывать ещё дальше в прошлое? Тут играют роль два фактора:
1) Реионизация не однородна. Вселенная полна комковатостей, несовершенств и неоднородностей. Это хорошо, это позволяет формироваться звёздам, галактикам, планетам, а также людям. Но это также значит, что некоторые участки пространства и направления в небе были полностью реионизированы раньше других. Самая дальняя из известных нам галактик, GN-z11, яркая и красивая галактика для такого молодого возраста, но ещё она расположена в направлении, в котором Вселенная практически полностью была ионизирована. Просто так удачно совпало, что это произошло за 150 млн лет до «средней» реионизации.
Только потому, что эта далёкая галактика GN-z11 расположена в регионе, где межгалактическая среда по большей части реионизирована, Хаббл смог показать нам её сегодня. Джеймс Уэбб пойдёт гораздо дальше.
2) Эти нейтральные атомы прозрачны для больших длин волн. Хотя в те ранние времена Вселенная была непрозрачной для видимого и ультрафиолетового света, для более длинных волн она была прозрачной. К примеру, известно, что "Столпы творения" непрозрачны для видимого света, но если посмотреть на них в инфракрасном, легко можно видеть звёзды внутри них.
Слева – вид в видимом свете, справа – в инфракрасном, на один и тот же объект: Столпы творения. Отметьте, насколько газ и пыль более прозрачны для инфракрасного излучения, и как это влияет на фон и внутренние звёзды.
Телескоп Джеймса Уэбба не только станет основной инфракрасной обсерваторией, но был разработан специально, чтобы наблюдать свет, который был инфракрасным, когда он был испущен ранними звёздами. Протягиваясь дальше, до длин волн в 30 мкм, в середину инфракрасного диапазона, он сможет наблюдать объекты, существовавшие и в сами Тёмные века.
Изучая всё большие просторы Вселенной, мы получаем чувствительность не только к более тусклым объектам, но и к тем, что «блокируются» нейтральными атомами. Но с инфракрасными обсерваториями мы сможем увидеть и их.
Вселенная была тёмной так долго, поскольку атомы внутри неё так долго были нейтральными. Даже реионизированная на 98% Вселенная остаётся непрозрачной для видимого света, и у звёздного света ушло порядка 500 млн лет на полную ионизацию всех атомов и придание Вселенной прозрачности. По окончанию Тёмных веков мы можем видеть всё на всех длинах волн света, но до того нам либо должно повезти, либо нам надо смотреть на более длинных, менее поглощаемых волнах.
Сказать «да будет свет», сформировав звёзды и галактики, недостаточно для того, чтобы закончить Тёмные века Вселенной. Создать свет – лишь половина дела; создать окружение, в котором он может распространяться на всём протяжении, вплоть до ваших глаз, настолько же важно. Для этого нам нужно много ультрафиолета и времени. Но если правильно посмотреть, мы можем заглянуть во тьму и увидеть то, что ранее не видели. И менее, чем через два года, начнётся и эта история.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Автор: Вячеслав Голованов
