Как Вселенная пережила «Темные Века»?
Астрономы продолжают изучать вечно актуальных для них вопрос, связанный с тем, как после «Большого Взрыва» наша Вселенная перешла от эпохи «Темных Веков» до эпохи «Реионизации».
По общепринятой хронологии, эпоха «Темных Веков» длилась приблизительно от 380 000 до 150 миллионов лет 13,55 миллиардов лет тому назад. Затем она сменилась эпохой «Реионизации», которая могла длиться от 150 миллионов до 1 миллиарда лет 12,7 миллиардов лет тому назад.
Как предполагают ученые, в период «Темных Веков», Вселенная была заполнена водородом и гелием, реликтовым излучением и излучением атомарного водорода на волне 21 см. Звёзды, квазары и другие яркие источники в этот период отсутствовали, поэтому эта эпоха и получила название «Темных Веков» (Dark Ages). Свет первых звезд, которые только начали появляться в этот период, абсорбировался густым водородным туманом. Этот водородный туман начал концентрироваться в некоторых регионах нашей Вселенной, порождая формирование новых звезд. Так постепенно начал осуществляться процесс реионизации водорода светом звезд и квазаров. Эпоха «Реионизации» характеризуется появлением новых звезд, галактик, квазаров и галактических скоплений.
К тому выводу пришли ученые, исследовав ближайшие к нам галактики (в том числе галактики «Сомбреро») с помощью телескопа Субару.
«Несмотря на то,что возможности телескопов ограничены, они все же нам во много помогают и проливают свет на формирование нашей Вселенной и различных ее объектов» — говорят астрономы.
Источник
Спросите Итана: почему тёмные века Вселенной длились так долго?
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 10 80 , 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].
Источник
Пять веков Вселенной: в каком мы живем и что это значит?
Каждое живое существо на нашей планете рождается, взрослеет, становится старше и в конечном итоге умирает. Все эти законы действуют и за пределами Земли – звезды, солнечные системы и галактики тоже со временем погибают. Разница существует лишь во времени – то, что для нас с вами кажется вечностью, по меркам Вселенной полная ерунда. Но что на счет самой Вселенной? Как известно, она родилась после Большого взрыва 13,8 миллиардов лет назад, но что происходит с ней сейчас? Каков жизненный цикл самой Вселенной и почему исследователи выделяют пять этапов ее развития?
Пять веков Вселенной
Астрономы считают, что пять этапов эволюции являются удобным способом представления невероятно долгой жизни Вселенной. Согласитесь, во времена, когда нам известно всего 5% о видимой Вселенной (остальные 95% занимает таинственная темная материя, существование которой только предстоит доказать), судить об ее эволюции довольно сложно. Тем не менее, исследователи пытаются понять прошлое и настоящее Вселенной, объединив достижения науки и человеческой мысли двух последних столетий.
Если вам посчастливилось оказаться под ясным небом в темном месте безлунной ночью, то при взгляде вверх вас ждет великолепный космический пейзаж. С помощью обычного бинокля можно увидеть умопомрачительное небесное полотно из звезд и пятен света, которые накладываются друг на друга. Свет от этих звезд достигает нашей планеты преодолевая огромные космические расстояния и пробивается к нашим глазам через пространство–время. Такова Вселенная космологической эпохи, в которой мы живем. Она называется звездная эрой, но есть еще четыре других.
Изображение составлено исследователями Принстонского университета, основываясь на снимках, полученных космическими телескопами NASA
Существует множество способов рассмотреть и обсудить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, но один из них больше других привлек внимание астрономов. Первая книга о пяти веках Вселенной была опубликована в 1999 году, под названием «Пять веков Вселенной: внутри физики вечности». (последние обновления внесены в 2013 году). Авторы книги Фред Адамс и Грегори Лафлин дали название каждому из пяти веков:
- Первобытная эра
- Звездная эра
- Дегенеративная эра
- Эра Черных Дыр
- Темная эра
Необходимо отметить, что далеко не все ученые являются сторонниками этой теории. Тем не менее, многие астрономы находят разделение на пять этапов полезным способом обсуждения столь необычайно большого количества времени.
Первобытная эра
Первобытная эпоха Вселенной началась спустя секунду после Большого взрыва. Во время первого, очень маленького отрезка времени, пространства-времени и законов физики, как полагают исследователи, еще не существовало. Этот странный, непостижимый интервал называется планковской эпохой, считается, что она длилась 1044 секунды. Важно принимать во внимание и то, что многие предположения о планковской эпохе, основаны на гибриде общей теории относительности и квантовых теорий, называемой теорией квантовой гравитации.
На изображении все пять эпох Вселенной обозначены разными цветами
В первую секунду после Большого взрыва началась инфляция – невероятно быстрое расширение Вселенной. Через несколько минут плазма начала остывать, и субатомные частицы начали образовываться и склеиваться. Через 20 минут после Большого Взрыва – в сверхгорячей, термоядерной Вселенной – начали формироваться атомы. Охлаждение шло быстрыми темпами, пока во вселенной не осталось 75% водорода и 25% гелия, что похоже на то, что происходит сегодня на Солнце. Примерно через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная остыла настолько, что начали формироваться первые устойчивые атомы и появилось космическое фоновое микроволновое излучение, которое астрономы называют реликтовым излучением.
Звездная эра
Мы с вами живем в звездную эпоху – в это время большая часть материи, существующей во Вселенной, принимает форму звезд и галактик. Первые звезды во Вселенной – недавно мы рассказывали вам о ее обнаружении – были огромными и закончили свою жизнь в виде вспышек сверхновых, что привело к образованию множества других, более мелких звезд. Движимые силой гравитации, они сближались друг с другом образовывая галактики.
У звезд и галактик, как и у нас с вами, свой срок жизни
Одна из аксиом звездной эры состоит в том, что чем больше звезда, тем быстрее она сжигает свою энергию, а затем умирает, как правило, всего за пару миллионов лет. Более мелкие звезды, потребляющие энергию медленнее, дольше остаются активными. Ученые предсказывают, что наша галактика Млечный Путь, например, столкнется и объединится с соседней галактикой Андромеды примерно через 4 миллиарда лет, чтобы сформировать новую. Кстати, наша Солнечная система может пережить это слияние, но возможно, Солнце погибнет гораздо раньше.
Эра дегенерации
Следом идет эра дегенерации (вырождения), которая начнется примерно через 1 квинтиллион лет после Большого Взрыва и продлится до 1 дуодециллиона после него. В этой период во Вселенной будут доминировать все видимые сегодня остатки звезд. На самом деле на космических просторах полно тусклых источников света: белые карлики, коричневые карлики и нейтронные звезды. Эти звезды гораздо холоднее и излучают меньше света. Таким образом, в эпоху дегенерации Вселенная будет лишена света в видимом спектре.
Тусклые остатки когда-то ярких звезд будут преобладать во Вселенной в эру дегенерации
В течение этой эры маленькие коричневые карлики будут удерживать большую часть доступного водорода, а черные дыры будут расти, расти и расти, питаясь остатками звезд. Когда водорода вокруг будет не достаточно, Вселенная со временем станет тусклее и холоднее. Затем протоны, существовавшие с самого начала Вселенной, начнут погибать, растворяя материю. В результате во Вселенной в основном останутся субатомные частицы, излучение Хокинга и черные дыры.
Излучение Хокинга – гипотетический процесс излучения черной дырой разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов; назван в честь британского физика-теоретика Стивена Хокинга.
Эра черных дыр
В течение значительного периода времени черные дыры будут доминировать во Вселенной, втягивая в себя остатки массы и энергии. Однако в конце концов они испарятся, хотя и очень медленно.
К концу этого периода останутся фотоны, электроны, позитроны и нейтрино.
Авторы книги полагают, как пишет Big Think, что когда черные дыры наконец испарятся, возникнет небольшая вспышка света – единственная оставшаяся энергия во Вселенной. В этот момент Вселенная будет почти историей, содержащей только низкоэнергетические, очень слабые субатомные частицы и фотоны.
Темная эра
В конечном итоге электроны и позитроны, дрейфующие через пространство будут сталкиваться друг с другом, иногда образуя при этом атомы прозитрония. Эти структуры являются нестабильными, однако и их составные частицы в конечном итоге будут уничтожены. Дальнейшее уничтожение других низкоэнергетических частиц будет продолжаться, хотя и очень медленно. Но этой ночью взгляните в ночное небо, полное звезд и ни о чем не беспокойтесь – они еще очень долго никуда не денутся, а наше понимание Вселенной и времени в будущем может измениться.
Источник