Темні віки Всесвіту

Астрономи намагаються заповнити порожні сторінки історії Всесвіту. Сучасна космологія прагне відтворити історію Всесвіту. Уже тривають дослідження реліктового випромінювання, а в наступному десятилітті NASA планує вивести на орбіту Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), здатний спостерігати ранні галактики. Але величезний проміжок часу між виникненням реліктового випромінювання та утворенням перших зір залишається недослідженим.

Слідами іонізації

Згідно з теорією Великого вибуху, на початковому етапі еволюції Всесвіт заповнювала гаряча плазма, що складалася з хаотично рухомих протонів, електронів, фотонів і невеликої кількості інших частинок. Електрони взаємодіяли з фотонами шляхом томсонівського розсіяння.

Всесвіт розширювався й охолоджувався. Коли температура впала до 3000 К (градусів Кельвіна), протони й електрони об’єдналися, утворивши електрично нейтральні атоми водню. Томсонівське розсіяння припинилося, а фотони перестали інтенсивно взаємодіяти з матерією та поступово перетворилися на мікрохвильовий фон.

Однак більша частина Всесвіту й досі існує у стані плазми та розташована в глибинах міжгалактичного простору. Досліджувані спектри найвіддаленіших і, отже, найдавніших із відомих нам квазарів, галактик і гамма-спалахів указують, що розсіяний космічний водень був повністю іонізований, коли Всесвіту було близько 1 млрд років. Подальші дослідження показали, що реліктове випромінювання трохи поляризоване, а ступінь поляризації вказує на те, що весь водень був поляризований [термін в оригіналі потребує уточнення] вже через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Проте, коли «темна епоха» космосу добігла кінця, атоми розділилися на протони й електрони, з яких вони складаються. Отже, відбулася повторна іонізація.

Більшість дослідників пов’язує цей процес із появою першого покоління зір. Для іонізації атома водню потрібна енергія, еквівалентна 13,6 еВ. Тому, якби лише одна мільйонна газу у Всесвіті зазнала ядерного синтезу, виділилося б достатньо енергії, щоб іонізувати весь інший газ. Існує й інша версія, згідно з якою речовина, що поглинається чорними дірами, випускає іонізувальне випромінювання. При цьому вивільняється 10¹⁶Дж/кг, отже, виділення енергії однієї стотисячної частини космічного водню достатньо для повної іонізації.

Зорі й чорні діри народжуються в межах галактик, тому повторна іонізація могла відбутися лише після їх утворення. Теоретично формування галактик почалося, коли густина деяких областей Всесвіту зросла й під дією власної гравітації відбулося «стягування» речовини.

Дія додаткової гравітації з боку темної матерії не давала процесу розширення розвиватися хаотично, що привело до галактичного центрування.

Згідно із сучасними моделями, Всесвіту було близько 100 млн років, коли почали утворюватися карликові галактики, які згодом об’єднувалися. Газ у межах об’єднаних областей охолоджувався й утворював згустки, формуючи зорі. Ультрафіолетове випромінювання зір проникало в міжгалактичний простір, вибиваючи на своєму шляху електрони з атомів і створюючи хмару іонізованого газу, що розширювалася та заповнила весь міжгалактичний простір.

Підтвердити або спростувати запропоновану гіпотезу здатні лише спостереження, але як спостерігати, якщо на початку «ери невідомості» було темно?

Бачити в темряві

На щастя, навіть холодний водень випромінює світло. Річ у тім, що протони й електрони мають різну орієнтацію (спін). Спін субатомної частинки може бути спрямований в один із двох боків — «угору» або «вниз». Отже, орієнтація частинок буває паралельною та антипаралельною. В антипаралельному стані атом має меншу енергію. Якщо електрон і протон спрямовані вгору, а потім електрон «перевертається», то енергія атома зменшується, і в результаті випускається фотон із довжиною хвилі 21 см.

Така частинка несе менше енергії, ніж світіння водню під час переходів електронів між орбітами. Тому можна припустити, що процес зміни напрямку спіну відбувався, коли зір ще не було. Реліктового випромінювання та енергії, що виділялася внаслідок зіткнення атомів, вистачало, щоб перевернути електрони й змусити водень слабко світитися.

Дослідники характеризують «темні віки» трьома температурами: спіновою (мірою відносної кількості атомів із різними напрямками спінів), кінетичною (мірою швидкості руху атомів) і температурою випромінювання (мірою енергії фотонів реліктового випромінювання).
Спочатку спінова й кінетична температури були еквівалентні. У міру розширення простору газ і випромінювання охолоджувалися. Газ міг би охолоджуватися швидше, але цьому перешкоджала початкова мала кількість вільних електронів, що залишилися після утворення атомів водню. Вільні електрони передавали енергію від мікрохвильового фону атомам і тим самим підтримували рівність трьох температур.

Проте через 10 млн років після Великого вибуху ситуація змінилася. Рівновага між газом і випромінюванням порушилася. Атомні зіткнення підтримували рівність кінетичної та спінової температур, а водень одночасно поглинав 21-сантиметрові фотони й енергію мікрохвильового фону. Через космічне розширення густина газу зменшилася, тому спінова й кінетична температури перестали врівноважувати одна одну. Енергія мікрохвильового фону витрачалася на «перевертання» протонів та електронів, унаслідок чого міра відносної кількості атомів і міра енергії фотонів знову стали еквівалентними. Тоді газ не випромінював світла, оскільки не був ані чистим поглиначем, ані чистим випромінювачем енергії.

Коли з’явилися перші зорі й виникли чорні діри, рентгенівські промені від нових утворень збільшили енергію фотонів.

Ультрафіолетове випромінювання поглиналося й знову випускалося воднем, а обмін електронами між атомними орбітами зробив спінову та кінетичну температури еквівалентними. Енергія відносної кількості атомів стала вищою за енергію фотонів мікрохвильового фону, тож світіння водню затьмарило реліктове випромінювання.

Обмін електронами потребує менше енергії, ніж іонізація атомів, тому водень почав яскраво світитися задовго до повторної іонізації. Зрештою світіння газу стало відбуватися за іншими механізмами, а 21-сантиметрове випромінювання міжгалактичного газу зникло.

Всесвітня томографія

Космічне розширення збільшує довжину хвилі фотонів. Від початку «темних віків» розміри Всесвіту збільшилися в тисячу разів. Отже, світло, випущене на початку й наприкінці «темного періоду», має мати довжину хвилі 210 і 2 м відповідно.
Нині будують кілька антенних комплексів, здатних приймати хвилі завдовжки 2 м. До таких систем належить станція Mileura Widefield (MWA) у Західній Австралії, що складається з 8 тис. антен із діапазоном приймання від 1 до 3,7 м. Ця система має кутову роздільну здатність у кілька хвилин, що для «темного періоду» відповідає приблизно 3 млн світлових років. На основі отриманих даних астрономи побудують тривимірну карту розподілу нейтрального водню.

Можливо, карта 21-сантиметрового випромінювання містить більше інформації, ніж будь-які інші космологічні дані. По-перше, карта розподілу реліктового випромінювання двовимірна. По-друге, оскільки реліктове випромінювання виникало в різних областях, ми бачимо його досить розмитим. Розвиваючись, Всесвіт пройшов етап, подібний до розсіювання туману, коли його прозорість була неповною: тоді випромінювання поширювалося на короткі відстані, розмиваючи дрібні деталі розподілу реліктового випромінювання. Натомість під час світіння водню ніщо не перешкоджало поширенню випромінювання в просторі. По-третє, мікрохвильовий фон містить інформацію про флуктуації густини матерії, тоді як 21-сантиметрова панорама дасть змогу зафіксувати зародки галактик, а також дослідити їхній вплив на навколишній простір.

Щоб приймати випромінювання, яке належить до початку «темного періоду», космологам довелося подолати багато труднощів. Найістотнішою з них стала фільтрація космічного випромінювання, у 10 тис. разів інтенсивнішого за хвилі епохи повторної іонізації. На щастя, галактичний шум однорідний, тоді як шуканий сигнал флуктуює зі зміною довжини хвилі, відображаючи просторову структуру іонізованих утворень.

Крім згаданих практичних завдань, існує ще багато теоретичних. Найскладніше з них — великомасштабне комп’ютерне моделювання. Потрібно створити модель із роздільною здатністю, достатньою для візуалізації інформації про карликові галактики. Моделювання також дозволить простежити поширення іонізувального випромінювання. Цілком імовірно, що спостерігачі зможуть виявити повторну іонізацію раніше за теоретиків.

Процес формування галактик поки що приховує багато таємниць, і дослідження «темних віків» Всесвіту має прояснити чимало з них.

Переклад: Б.А. Квасов

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

• Measuring the Small-Scale Power Spectrum of Cosmic Density Fluctuations through 21 cm Tomography Prior to the Epoch of Structure Formation. Abraham Loeb and Matias Zaldarriaga in Physical Review Letters, Vol. 92, No. 21, Paper No. 211301; May 25, 2004. Preprint available at arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
• The State of the Universe. Peter Coles in Nature, Vol. 433, pages 248-256; January 25, 2005.
• First Light. Abraham Loeb. Lecture notes for the SAAS-Fee Winter School, April 2006. arxiv.org/abs/astro-ph/0603360.
• Chasing Hubble's Shadows: The Search for Galaxies at the Edge of Time. Jeff Kanipe. Hill and Wang, 2006.
• Cosmology at Low Frequencies: The 21 cm Transition and the High-Redshift Universe. Steven Furlanetto, S. Peng Oh and Frank Briggs in Physics Reports (forthcoming). arxiv.org/abs/astro-ph/0608032.

ПРО АВТОРА
Абрагам Лоеб (Abraham Loeb) — провідний фахівець із теоретичного дослідження перших зір, чорних дір та епохи повторної іонізації. Лоеб одним із перших за допомогою гравітаційного мікролінзування виявив планети поза Сонячною системою та встановив генерацію гамма-променів у міжгалактичному просторі. У 2002 р. став членом Спільноти Гуггенгайма. Захоплюється філософією; за словами вченого, саме вона надихнула його зайнятися фізикою.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.