Време за четене: 4 минути
Вселената се е разширявала в продължение на 13,8 милиарда години, но в първите няколко минути е била по-гореща и по-плътна от ядрото на слънцето. Ние го знаем от наблюдаваното изобилие от леки елементи, като деутерий, хелий и литий, които са били сготвени от супа от протони, неутрони и електрони в тези ранни моменти. Звездите не биха могли да съществуват толкова рано, защото екстремните горещини биха ги разпръснали.
Кога са се образували първите звезди?
Научните подробности за „Нека бъде светлина“ са във фокуса на космическия телескоп Джеймс Уеб на НАСА. Имах късмета да участвам в първия научен консултативен съвет, който проектира този телескоп с основната мотивация да заснема първите звезди и галактики. Телескопът е създаден, за да улавя инфрачервените дължини на вълните на звездната светлина, която е била разтегната с коефициент на червено отместване от 10 до 20 в резултат на космическото разширение, разширявайки нашия поглед към детската вселена. Това даде възможност за „дълбоко изображение“ на космоса, което беше публикувано на специално събитие в Белия дом, организирано от президента Байдън и вицепрезидента Харис на 11 юли 2022 г. Изображението показва множество червени дъги около клъстер от галактики. Администраторът на НАСА Бил Нелсън отбеляза: „Г-н. Президенте, гледаме назад с повече от 13 милиарда години“, необичайно изявление в окръг Колумбия, където плановете се правят на четиригодишни срокове. Изображението е резултат от дълга експозиция на Webb за половин ден, но бъдещите експозиции могат да продължат седмици, изследвайки по-слаби галактики на по-големи разстояния. Досега половин дузина вестници съобщават за галактики с възможни червени премествания до 16 в данните на Webb.
Кога са се образували първите звезди и галактики?
Въз основа на стандартния космологичен модел очакваме първите звезди да са се появили около 100 милиона години след Големия взрив. Те са се образували в малки газови облаци, една милионна от масата на галактиката Млечен път, които са се кондензирали от зародишни нехомогенности в ранната вселена. (Тема на книга за бакалавърско ниво, която написах през 2010 г., последвана от учебник за напреднали две години по-късно.)
Благодарение на крайната скорост на светлината можем да наблюдаваме как се е появила Вселената в ранни времена, като гледаме надалеч. Първото изображение на Вселената, което имаме, показва отпечатъка от първоначалните смущения на плътността, които са зародили първите галактики. Изображението показва леки колебания на яркостта, на ниво една част от сто хиляди, в космическия микровълнов фон. Тази първа моментна снимка е от 400 000 години след Големия взрив, когато Вселената се е охладила под няколко хиляди градуса, така че свободните електрони и протони са били достатъчно студени, за да образуват водородни атоми. Разсейването от мъглата на свободните електрони направи Вселената непрозрачна за светлина в по-ранни времена.
След това, 100 милиона години по-късно, плътни региони се кондензираха в резултат на тяхната собствена гравитация, която обърна първоначалното им разширение и ги сви в първите галактики джуджета. От нашата гледна точка тези първи галактики са предизвикателство за наблюдение не само поради голямото им разстояние от нас, но и защото са по-слаби източници на светлина от съвременните галактики като Млечния път.
Най-ранните галактики са били съставени от тъмна материя и първично изобилие от предимно водород и хелий, но почти никакви тежки елементи. При тези обстоятелства газът не успя да се охлади ефективно и затова се разпадна на звезди, които са десетки до стотици пъти по-масивни от нашето слънце. Най-масивните звезди имаха повърхностна температура от порядъка на 100 000 градуса, излъчвайки обилни количества ултравиолетова радиация, която разбиваше заобикалящия космически водород на съставните му електрони и протони. Този процес, наречен „рейонизация“, възстановява космическия водород обратно до йонизираното състояние, което го характеризира през първите 400 000 години след Големия взрив. Но тъй като оттогава Вселената се е разширила с коефициент около сто, тя е била 1 милион пъти по-разредена и следователно прозрачна. Следователно телескопът Webb може да гледа през него, за да наблюдава първите звезди.
По време на епохата на реионизация, мехурчета от йонизиран водород нарастват около концентрации на галактики и в крайна сметка се припокриват в рамките на един милиард години, за да запълнят целия космически обем. Можем да картографираме растежа на тези мехурчета, използвайки слабия преход на космическия водород в радиовълни с дължина на вълната 21 сантиметра. Няколко нискочестотни обсерватории в момента търсят структурата на „швейцарското сирене“ на червеното изместено 21-cm излъчване. Тъй като с течение на времето се образуват допълнителни звезди и черни дупки, междугалактическият водород остава йонизиран до сега.
Нашите физически корени започват с първите звезди, но нашите биологични корени започват с първите тежки елементи, произведени във вътрешността на тези звезди. „Животът, какъвто го познаваме“ изисква градивните елементи от въглерод и кислород, които ранната Вселена не е осигурила, преди да се охлади под необходимата температура на синтез.
Кога се формира първият живот?
Животът можеше да започне веднага щом второто поколение звезди се формира от пепелта, останала от първите звезди. (Обитаемата вселена е предмет на рецензия, която написах през 2014 г., и на последния ми учебник.)
Ядрата на масивните ранни звезди бяха толкова горещи, че произвеждаха двойки електрон-позитрон, след като изразходваха ядреното си гориво, и след това експлодираха като мощни „супернови с нестабилност на двойки“ – единствените експлозии, които бяха напълно разбрани от първите принципи за почти шест десетилетия . Експлозиите изхвърлиха тежки елементи от звездните вътрешности в междузвездното пространство. Първият живот може да е разцъфнал на повърхността на планетите, образувани от тези тежки елементи, по-малко от 1 милиард години след Големия взрив.
Ако тогава съществуваха съзнателни същества, те щяха да се удивляват на ярките звезди, появяващи се и експлодиращи като космически фойерверки, в чест на раждането на живота в младия космос. Слънцето закъсня за партито, образувайки се 8 милиарда до 9 милиарда години по-късно. И от отломките, останали от образуването на слънцето, кондензира скала, която сега наричаме Земя, върху която група хора построиха телескопа Webb, който можеше да търси доказателства за случилото се преди.
Никога не трябва да забравяме, че космическата пиеса започна много преди ние да излезем на сцената. Това предполага смирение. Космическата пиеса не е за нас.
