V průběhu času zprava doleva tato vizualizace ukazuje tvorbu prvních hvězd z oparu neutrálního vodíku po vesmírném kosmickém úsvitu.
(Obrázek: © NASA / STScI)
Paul Sutter je astrofyzik na Státní univerzitě v Ohiu a hlavní vědec ve vědeckém centru COSI. Sutter je také hostitelem Ask Spaceman and Space Radio a vede AstroTours po celém světě. Sutter přispěl tímto článkem do expertních hlasů Space.com: Op-Ed & Insights.
Snad největším zjevením za posledních sto let studia vesmíru je to, že se náš domov mění s postupem času. A to nejen malými, nevýznamnými způsoby, jako jsou pohybující se hvězdy, stlačování plynných mraků a masivní hvězdy, které hynou při kataklyzmatických explozích. Ne, celý náš vesmír změnil svůj základní charakter více než jednou v dávné minulosti a zcela změnil svůj vnitřní stav v globálním - tj. Univerzálním měřítku.
Vezměme si například skutečnost, že najednou v mlhavé, špatně zapamatované minulosti nebyly hvězdy.
Před prvním světlem
Tento jednoduchý fakt známe z důvodu existence kosmického mikrovlnného pozadí (CMB), lázně slabého, ale přetrvávajícího záření, které nasává celý vesmír. Pokud narazíte na náhodný foton (trochu světla), je tu velká šance, že je to z CMB - že světlo zabírá více než 99,99 procent veškerého záření ve vesmíru. Je to pozůstatek z doby, kdy byl vesmír jen 270 000 let starý, a přešel z horké vroucí plazmy do neutrální polévky (bez kladného nebo záporného náboje). Tento přechod uvolnil bílé horké záření, které se během 13,8 miliard let ochladilo a natáhlo do mikrovln, což nám poskytlo pozadí, které můžeme dnes detekovat. [Cosmic Microwave Background: Vysvětlení relikta Big Bang (Infographic)]
V době vydání CMB byl vesmír asi miliontinu svého současného objemu a tisíce stupňů teplejší. Bylo také téměř zcela jednotné, s rozdílem hustoty větším než 1 díl ze 100 000.
Takže to není přesně stav, kdy by hvězdy mohly šťastně existovat.
Temný věk
V milionech let po propuštění CMB (láskyplně známý jako „rekombinace“ v astronomických kruzích, kvůli historickému nedorozumění i dřívějších epoch) byl vesmír v podivném stavu. Tam byla trvalá koupel bílého horkého záření, ale toto záření se rychle ochladilo, jak vesmír pokračoval ve své neúprosné expanzi. Byla tu temná hmota, samozřejmě, povznášející vlastní podnikání. A tam byl nyní neutrální plyn, téměř úplně vodík a hélium, konečně uvolněný ze svých bojů s radiací a volný k tomu, jak se mu líbilo.
A to, co s potěšením dělalo, bylo vydržet co nejvíce ze sebe. Naštěstí to nemuselo velmi tvrdě pracovat: Ve velmi ranném vesmíru se mikroskopické kvantové fluktuace zvětšily, aby se staly jen malými rozdíly v hustotě (a proč se to stalo je příběh na další den). Tyto malé rozdíly hustoty neovlivnily větší kosmologickou expanzi, ale ovlivnily životy tohoto neutrálního vodíku. Každá z náplastí, která byla o něco hustší než průměr - dokonce i malým kouskem - měla na své sousedy mírně silnější gravitační tah. Tento zvýšený tah povzbudil více plynu, aby se připojil ke straně, což zesílilo gravitační remorkér, což povzbudilo ještě více sousedů atd.
Stejně jako hlasitá hudba na domácím večírku působícím jako píseň sirény, která povzbuzovala více hanebníků, se v průběhu milionů let bohatý plyn stal bohatším a chudý se zhoršil. Prostou gravitací rostly drobné rozdíly hustoty, vytvářely první masivní aglomerace hmoty a vyprazdňovaly své okolí.
„Kosmické svítání“ se rozpadlo
Někde, kdekoli, nějaký kus neutrálního vodíku měl štěstí. Nejvnitřnější jádro dosáhlo kritických teplot a hustoty, když hromadí vrstvy na drtivých vrstvách na sobě, takže atomová jádra nutí k sobě komplikovanou strukturu, zapálí se jadernou fúzí a přemění surovinu na helium. Tento divoký proces také uvolnil trochu energie a v záblesku se zrodila první hvězda.
Poprvé od prvních desítek minut Velkého třesku se v našem vesmíru uskutečnily jaderné reakce. Nové zdroje světla, tečkující vesmír, zaplavily kdysi prázdné prázdné prostory zářením. Ale nejsme si zcela jisti, kdy k této významné události došlo; pozorování této epochy jsou nesmírně obtížné. Za prvé, velké kosmologické vzdálenosti brání i našim nejsilnějším dalekohledům pozorovat toto první světlo. Co je horší, je to, že raný vesmír byl téměř zcela neutrální a neutrální plyn na prvním místě nevyzařoval hodně světla. Až několik generací hvězd se spojí dohromady, aby vytvořily galaxie, abychom mohli získat jen slabý náznak tohoto důležitého věku.
Máme podezření, že první hvězdy se vytvořily někde během prvních několika stovek milionů let vesmíru. Není to o mnoho později, že máme přímá pozorování galaxií, aktivní galaktická jádra a dokonce i počátky shluků galaxií - nejmasivnější struktury, které nakonec vzniknou ve vesmíru. Někdy před nimi musely přijít první hvězdy, ale ne příliš brzy, protože hektické podmínky kojeneckého vesmíru by jejich formaci zabránily.
Za horizontem
Ačkoli připravovaný kosmický dalekohled James Webb bude schopen přesně určit počáteční galaxie s vynikající přesností, která nabídne velké množství dat o ranném vesmíru, úzké zorné pole dalekohledu nám nedá celkový obraz této éry. Vědci doufají, že některé z prvních galaxií mohou obsahovat zbytky úplně prvních hvězd - nebo dokonce hvězd samotných -, ale budeme muset počkat a (doslova) vidět.
Dalším způsobem, jak odemknout vesmírný úsvit, je překvapivý záchvat neutrálního vodíku. Když se kvantové otočení elektronu a protonu náhodně otočí, vodík emituje záření velmi specifické vlnové délky: 21 centimetrů. Toto záření nám umožňuje zmapovat kapsy neutrálního vodíku v naší dnešní Mléčné dráze, ale extrémní vzdálenosti k éře kosmického úsvitu představují úplně jinou výzvu.
Problém je v tom, že vesmír se od té dlouhé mrtvé éry rozšířil, což způsobuje, že se veškeré mezigalaktické záření natahuje na delší vlnové délky. V současnosti má tento prapůvodní neutrální vodíkový signál vlnovou délku asi 2 metry, čímž je signál pevně umístěn v rádiových pásmech. A mnoho dalších věcí ve vesmíru - supernovy, galaktická magnetická pole, satelity - jsou docela hlasité na stejných frekvencích a zakrývají slabý signál z prvních let vesmíru.
Existuje několik misí po celém světě, které se pokoušejí domů v tomto šťavnatém kosmickém úsvitu, vykopat prvotní šepot ze současné kakofonie a odhalit zrození prvních hvězd. Ale prozatím budeme muset počkat a poslouchat.
Více se dozvíte poslechem epizody „Co vzbudilo vesmírné svítání?“ na podcastu Ask A Spaceman, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Děkuji Joyce S. za otázky, které k tomuto dílu vedly! Zeptejte se na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paul @ PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sledujte nás @Spacedotcom, Facebook a Google+. Původní článek na webu Space.com.
