Odată cu timpul de la dreapta la stânga, această vizualizare arată formarea primelor stele dintr-o ceață de hidrogen neutru după Zorii cosmice ale universului.
(Imagine: © NASA / STScI)
Paul Sutter este un astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio și omul de știință al Centrului științific COSI. Sutter este, de asemenea, gazda de la Ask a Spaceman și Radio Space și conduce AstroTours în întreaga lume. Sutter a contribuit cu acest articol la Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Poate cea mai mare revelație din ultimele sute de ani de studiu a universului este că casa noastră se schimbă și evoluează cu timpul. Și nu doar în moduri minore, nesemnificative precum stelele care se mișcă, comprimarea norilor de gaze și stelele masive murind în explozii cataclismice. Nu, întregul nostru cosmos și-a schimbat caracterul fundamental de mai multe ori în trecutul îndepărtat, modificându-și complet starea internă la scară globală - adică universală.
Luăm, de exemplu, faptul că, la un moment dat, în trecutul cețos, neamintit, nu existau stele.
Înainte de prima lumină
Cunoaștem acest fapt simplu datorită existenței fundalului microundelor cosmice (CMB), o baie de radiații slabe, dar persistente, care înmoaie întregul univers. Dacă întâlniți un foton aleatoriu (un pic de lumină), există șanse mari de la CMB - că lumina preia mai mult de 99,99 la sută din toată radiația din univers. Este o relicvă rămasă de pe vremea când universul avea doar 270.000 de ani și a trecut de la o plasmă fierbinte și plină la o supă neutră (fără nicio încărcare pozitivă sau negativă). Această tranziție a eliberat radiații alb-cald care, pe parcursul a 13,8 miliarde de ani, s-a răcit și s-a întins în microunde, oferindu-ne lumina de fundal pe care o putem detecta astăzi. [Fundal cu microunde cosmice: relicvă Big Bang explicată (infografic)]
La data lansării CMB, universul era cu aproximativ o milionime volumul său actual și cu mii de grade mai fierbinți. De asemenea, a fost aproape în întregime uniformă, cu diferențe de densitate nu mai mari de 1 parte din 100.000.
Deci, nu exact o stare în care stelele ar putea exista fericit.
Evul Întunecat
În milioanele de ani de la lansarea CMB (cunoscut afectuos drept „recombinare” în cercurile astronomice, din cauza unei neînțelegeri istorice a epocilor chiar anterioare), universul era într-o stare ciudată. A existat o baie persistentă de radiații albe-calde, dar acea radiație s-a răcit rapid pe măsură ce universul și-a continuat expansiunea inexorabilă. Desigur, a existat materie întunecată, care se gândea la propria afacere. Și exista acum gazul neutru, aproape în totalitate hidrogen și heliu, eliberat în sfârșit din luptele sale cu radiațiile și liber să facă așa cum dorește.
Și ceea ce a plăcut să facă a fost să stai cu cât mai mult în sine. Din fericire, nu a trebuit să funcționeze foarte mult: în universul extrem de timpuriu, fluctuațiile cuantice microscopice s-au mărit pentru a deveni doar mici diferențe de densitate (și de ce s-a întâmplat asta este o poveste pentru o altă zi). Aceste mici diferențe de densitate nu au afectat extinderea cosmologică mai mare, dar au afectat viața hidrogenului neutru. Orice patch care era puțin mai dens decât media - chiar și de un pic minuscul - avea o atracție gravitațională ușor mai puternică asupra vecinilor. Această atracție sporită a încurajat mai mult gaz să se alăture petrecerii, ceea ce a amplificat remorcherul gravitațional, ceea ce a încurajat și mai mulți vecini și așa mai departe.
Ca muzica tare la o petrecere de casă, care acționează ca o melodie de sirenă pentru a încuraja mai mulți evlavi, de-a lungul a milioane de ani, gazul bogat s-a îmbogățit, iar gazul slab a devenit mai sărac. Prin gravitație simplă, diferențele minime de densitate au crescut, construind primele aglomerații masive de materie și golind împrejurimile lor.
„Zorii cosmice” se rup
Undeva, undeva, niște bucăți de hidrogen neutru au avut noroc. Punând straturi peste straturi copleșitoare pe sine, miezul cel mai interior a atins o temperatură și o densitate critică, forțând nucleele atomice împreună într-un model complicat, aprindând fuziunea nucleară și transformând materia primă în heliu. Acest proces feroce a eliberat și un pic de energie și într-o clipă s-a născut prima stea.
Pentru prima dată de la primele zeci de minute ale Big Bang-ului, reacțiile nucleare au avut loc în universul nostru. Noi surse de lumină, care pun cosmosul, au inundat golurile odată goale cu radiații. Dar nu suntem exact siguri când a avut loc acest eveniment important; observațiile acestei epoci sunt extrem de dificile. Pentru prima dată, distanțele cosmologice vaste împiedică chiar și cele mai puternice telescoape ale noastre să observe acea primă lumină. Ceea ce înrăutățește este faptul că universul timpuriu a fost aproape în întregime neutru, iar gazul neutru nu emite multă lumină în primul rând. Abia când mai multe generații de stele se lipi de ele însele pentru a forma galaxii, putem chiar să obținem un indiciu slab al acestei epoci importante.
Bănuim că primele stele s-au format undeva în primele câteva sute de milioane de ani ale universului. Nu mai târziu avem observații directe despre galaxii, nuclee galactice active și chiar începuturile grupărilor de galaxii - cele mai masive structuri care vor apărea în cele din urmă în univers. Cu ceva timp înainte de ele trebuiau să sosească primele stele, dar nu prea devreme, deoarece condițiile agitate ale universului infantil ar fi împiedicat formarea lor.
Peste orizont
Deși viitorul James Webb Space Telescope va putea identifica galaxii timpurii cu o precizie excelentă, oferind o multitudine de date despre universul timpuriu, câmpul vizual restrâns al telescopului nu ne va oferi întreaga imagine a acestei epoci. Oamenii de știință speră că unele dintre cele mai vechi galaxii ar putea conține rămășițe ale primelor stele - sau chiar ale stelelor în sine - dar va trebui să așteptăm și (literalmente) să vedem.
Cealaltă modalitate de a debloca zorii cosmice este printr-o surpriză surprinzătoare de hidrogen neutru. Când rotirile cuantice ale electronului și protonului se plimbă aleatoriu, hidrogenul emite radiații cu o lungime de undă foarte specifică: 21 de centimetri. Această radiație ne permite să cartografiem buzunarele de hidrogen neutru din Calea Lactee a noastră modernă, dar distanțele extreme până la era cosmică a zorilor reprezintă o provocare diferită.
Problema este că universul s-a extins încă din acea epocă demult moartă, ceea ce face ca toate radiațiile intergalactice să se întindă la lungimi de undă mai lungi. În zilele noastre, acel semnal de hidrogen neutru primordial are o lungime de undă de aproximativ 2 metri, plasând semnalul în benzile radio. Și multe alte lucruri din univers - supernovele, câmpurile magnetice galactice, sateliții - sunt destul de puternice la aceleași frecvențe, ascunzând semnalul slab din primii ani ai universului.
Există mai multe misiuni pe tot globul care încearcă să acționeze pe acel suculent semnal cosmic de zori, să scape șoapta lui primordială din cacofonia actuală și să dezvăluie nașterea primelor stele. Dar deocamdată, va trebui doar să așteptăm și să ascultăm.
Aflați mai multe ascultând episodul "Ce a trezit zorii cosmice?" pe podcast-ul Ask A Spaceman, disponibil pe iTunes și pe Web la http://www.askaspaceman.com. Mulțumim Joyce S. pentru întrebările care au dus la această piesă! Puneți-vă propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmând Paul @ PaulMattSutter și facebook.com/PaulMattSutter. Urmăriți-ne @Spacedotcom, Facebook și Google+. Articol original pe Space.com.
