Перші зорі всесвіту
Зараз ви дізнаєтесь про те, як сформувалися перші зорі, що запустили реакцію термоядерного синтезу в ранньому всесвіті, і чому ми дотепер не бачили жодної такої зірки.
Не перемикайте, буде цікаво.
Розуміння еволюції раннього всесвіту — це найважливіший аспект сучасної астрономії.
Одна особливо важлива ера ранніх часів — епоха реіонізації.
Саме тоді народились перші зорі.
Телескоп Габбл дозволив привідкрити двері того часу.
А вже телескоп Джеймса Вебба широко їх розпахне.
12,7 мільярда років тому відбувся Великий Вибух, який став початком для Всесвіту.
Від самого початку Всесвіт був плавильним котлом для гарячих вільних часток.
Температура не дозволяла їм об’єднуватись.
Згодом, усе почало остигати й нейтрони та протони стали поєднуватись і притягувати вільні електрони, утворюючи перші атоми.
В основному гідроген та небагато гелію.
Ця подія, під назвою рекомбінація, залишила Всесвіт без вільних електронів, але із водневим туманом, що його заповнив.
Хмари гідрогену стискались та стискались, формуючи перші зорі.
Але цей процес був поступовим.
Протягом мільйонів років у Всесвіті не було джерел світла.
Почались космічні "темні часи".
Гравітація більш щільних областей за допомогою темної матерії почала нагромаджувати навколо них більш звичну для нас матерію.
Ці області стискались і створювали перші зорі, що, зрештою, почали світити.
Завдяки рекомбінації не було вільних електронів, що могли розсіювати світло.
Його фотони могли спокійно мандрувати Всесвітом.
Так завершилися темні часи.
У вас може з’явитися питання — як саме із хмар газу може утворитися зірка?
Як вже розповідалося, відгадка — у гравітації.
Процес є аналогічним до того, що відбувається і тепер.
Матерія збирається в дуже щільні хмари, де ядра атомів гідрогену під величезним тиском зливаються, сила гравітації долає кулонівське відштовхування ядер, відбувається термоядерна реакція, реакція синтезу нових більш важких атомів.
В результаті синтезу вивільняється величезна кількість енергії, яка запалює зірки.
Наразі, вважається, що перші зорі з’явилися приблизно через 30 мільйонів років після Великого Вибуху.
Вони відрізнялись від об’єктів, що ми спостерігаємо сьогодні, оскільки були складені тільки із водню та гелію.
Інших елементів на час їх появи просто не існувало.
Зірки, на кшталт нашого Сонця, містять вуглець і більш важкі елементи, що утворилися в результаті термоядерних реакцій легких елементів, або були підхоплені від старших зірок, які вже вибухнули.
В чому була користь появи нових елементів, в астрофізиці усі елементи окрім гідрогену та гелію називають металами, так це в тому, що вони скоріше охолоджували оточуючий усе газ.
Холодніших хмар для стискання в зірку необхідно менше маси ніж гарячих.
Таким чином перші зірки, їх називають зорями третього населення або покоління, допомогли у прямому сенсі запалити цю темну, безжиттєву вечірку, якою наш Всесвіт був на початку свого існування.
Маса найперших зірок була від 30 до 1000 разів більша від сонячної.
Фактично, вони були до 3 разів важчими будь-якої знайденої нами зірки.
Їх температура була, щонайменше, в 15 разів вища за температуру Сонця.
По суті, вони були настільки гарячими, що майже не випромінювали у видимому світлі й, в основному, світились в ультрафіолеті.
Невидиме, неймовірно потужне світло, мабуть, найекстремальніший солярій в історії.
Ці масивні гігантські зорі третього населення були здатними позбавити атоми гарячого гідрогену їх електронів.
Цей час має гарну назву — епоха реіонізації.
Ера, яка почалась приблизно через 400 мільйонів років після Великого Вибуху, і відбувалася ще десь кілька сотень мільйонів років.
Навіть потужні інструменти Габбла здатні розгледіти лише декілька яскравих галактик тієї епохи.
Тим не менш, саме цей телескоп розповів багато інформації про розповсюдження та властивості галактик, в яких було сформовано зорі.
Навколо кожної зорі утворився реіонізаційний пузир, і до кінця епохи реіонізації всі вони злились.
Всесвіт було повністю реіонізовано, весь наповнювавший його газ був складеним з іонів.
Цей стан відомий нам як плазма.
Сьогоднішній простір між галактиками, який так і зветься — міжгалактичне середовище, все ще заповнений рештками того іонізованого гідрогену.
Ішли роки, в надрах зірок під височенним тиском і температурою, ніби в галактичній кузні, народжувались нові важкі елементи.
Продуктивність цієї кузні була значно вищою, ніж у сучасних зірок.
Саме завдяки масі, яка зближувала атоми гідрогену та гелію і завдяки високій температурі, яка тепер вже прискорювала реакції термоядерного синтезу.
Зірка, всього в 10 разів важча за наше Сонце, світить яскравіше в 10000 разів.
І живе, відповідно, в 1000 разів менше.
До речі, саме за цим принципом, на нагріві до надзвичайних температур, людство намагається побудувати Токамаки — термоядерні ректори для керованого синтезу, де розігріта до стану плазми матерія має виділяти енергію.
Маленькі контрольовані кузні елементів.
І хоча ми й досягли певного успіху, все ж таки проєкти залишаються в певній перспективі.
Незважаючи на перевагу перед сучасними світилами у вигляді маси, був у них і недолік.
В реакції синтезу гелію і гідрогену такий елемент як вуглець виступає каталізатором.
А в зірках третього населення такого каталізатора просто не було.
Ти не менш, по мірі своєї еволюції, вони вибухали, розповсюджуючи синтезовані в них метали по Всесвіту.
Як ви могли здогадатися, із холодних хмар, насичених металами, зорі формувались значно швидше, ніж із гарячих гелій-гідрогенів.
Адже, чим холодніший газ, тим більша його власна гравітація перемагає його внутрішнє розширення, тим скоріше газ колапсує, тим швидше народжуються нові зорі.
Ці зорі другого населення були сформовані із важчих елементів, ніж їх попередники.
Хоч їх маса все ще в сотні разів більша за масу Сонці, реакції в них відбуваються повільніше, ніж у зірок третього населення, завдяки чому і живуть вони довше — до декількох мільярдів років.
Вони продовжують вибухати, розкидаючи ще більш важкі елементи по Всесвіту, перероджуючись, а в буквально дуже важкому випадку, формуючи чорні діри.
Ці об’єкти зливались, утворюючи надмасивні чорні діри, ті, що ми їх тепер спостерігаємо в центрах галактик.
Менш масивні зірки другого покоління збирались у сферичні підсистеми галактик, такі як балдж, гало, та сферичні скупчення.
А вибухи зірок та розповсюдження більш важких елементів привели нас до народження зірок першого населення, таких як наше Сонце.
До тепер вдавалось лиш уловити світло галактик ранніх епох формування Всесвіту.
Але, ось непряме підтвердження нашої космологічної теорії ми нещодавно отримали шляхом інших спостережень.
Ми можемо спробувати спіймати окремі фотони, що випромінював найперший у Всесвіті гідроген.
Хвильовий вектор цих фотонів мав довжину хвилі 21 сантиметр, тобто потрапляв в радіодіапазон.
До початку формування зірок кількість фотонів реліктового випромінювання, що поглинається, та випромінюваного хмарами водню було приблизно однаковим.
Тому світло водневих хмар від самого реліктового випромінювання ми відрізнити не можемо.
Але, ось коли почали формуватись зорі, вони стали поглинати більше 21-сантиметрових фотонів, ніж випромінювали.
Тобто, в якийсь проміжок часу кількість реліктового випромінювання мала впасти.
Доки, після декількох мільйонів років, чорні діри за допомогою рентгенівського випромінювання не нагріють оточуючий гідроген і не відновлять баланс у поглинанні та випромінюванні 21-сантиметрових фотонів.
Якщо все дійсно відбувалося так, як передбачає сучасна космологія, значить при спостереженні реліктового випромінювання, заглядаючи все далі у простір, а, відповідно, і далі у часі, ми маємо зіткнутися з тим самим періодом, коли поглинання 21-сантиметрових фотонів відбувалось швидше, ніж їх випромінювання.
Знаючи довжину хвилі 21 сантиметр, і враховуючи, що всесвіт постійно розширюється, ми можемо припустити, що на графіку для певного діапазону випромінювання буде провал, що має закінчитись в епоху появи чорних дір.
Я дуже сподіваюсь, що вас не заплутав, тому що в мене гарні новини.
Ось графік, що минулого року опублікувала команда університету Арізони.
Крім підтвердження теорії, вона дещо проявила терміни життя Всесвіту.
Так, тепер ми точно знаємо, що після 180 мільйонів років після Великого Вибуху гідрогенові зорі вже точно існували.
І що перші чорні діри почали нагрівати газ, що заповнював всесвіт, менш, ніж через 100 мільйонів років.
Перед нами стоїть ще безліч питань.
Як саме з’явилися перші зорі?
В який момент сформувалися галактики?
Наскільки важливою була роль чорних дір у реіонізації Всесвіту?
Майбутня спільна місія НАСА та ЄКА, телескоп імені Джеймса Вебба, зокрема її інфрачервоні камери, дозволять нам зазирнути в минуле достатньо далеко, аби побачити світло перших зірок і, нарешті, наочно підтвердити теорію.
Або ж, її спростувати.
