Tamsiųjų amžių pabaiga

Tamsiųjų amžių pabaiga

Borisas Sternas
"Trejybės pasirinkimas" № 5 (249), 2018 m. Kovo 13 d

Robin Dienel / Carnegie Mokslų institutas

2018 m. Kovo pradžioje Gamta paskelbė straipsnį apie astronominių stebėjimų rezultatą, kuris suprantamas kaip pirmųjų žvaigždžių visame pasaulyje gimimo liudijimas apie 180 milijonų metų. Straipsnis sukėlė pastebimą atsakymą žiniasklaidoje. Norint pateikti rezultatą plačiam skaitytojų ratui, būtina ekskursija į jaunosios visatos istoriją.

Tamsieji amžiai ir pirmosios žvaigždės

Pirmosios žvaigždės. Fantastika menininkas. N. R. Fuller, Nacionalinis mokslo fondas

Ankstyvasis visatos fotografavimas – fono spinduliavimo žemėlapis [1]. Šiame nuostabiame paveikslėlyje ji yra 380 tūkst. Metų. Tai yra momentas, kai jonizuotas vandenilis tapo neutralus ir skaidrus – rekombinacijos momentas. Tai, kas anksčiau buvo nematoma, tačiau gerai išgelbėjo nuo žemėlapio analizės. Ką mes padarėme per ateinančius maždaug 500 milijonų metų, mes taip pat nematome: tai vadinamieji tamsūs amžius. Pirmasis dalykas, atsirandantis iš tamsių amžių, yra ankstyvosios galaktikos, kvazarai, gama spinduliai, kurių raudonas poslinkis artėja prie dešimties ar net daugiau. Ar galime patikimai sužinoti, kas atsitiko tamsiame amžiuje?

380 tūkstančių metų amžiuje visata buvo šiek tiek nevienalytė: tankio kontrastas, kurį sukėlė tamsiosios medžiagos krešuliai,buvo apie tūkstantį, o heterogeniškumas buvo visų dydžių – nuo metrų iki gigaparsekų. Tada tankio kontrastas pradėjo augti dėl gravitacinio nestabilumo, tačiau netolygiai, o ne tuo pačiu metu skirtingų dydžių ryšulėms. Maži krešuliai negalėjo susilpnėti dėl dujų, užpildytų galimus skylės, spaudimą. Yra džinsų kriterijus: dujų krešulys gali susitraukti pagal savo veiksmus, jei jo masė viršija tam tikrą ribą. Ši riba, džinsų masė, yra proporcinga kamieno temperatūrai 3/2 laipsnio ir atvirkščiai proporcingai slėgio šakniui. Ankstyvoje visatoje, jos tamsiame amžiuje, minimali džinsų masė yra 105-106 saulės masės. Tokie debesys gali sudaryti pirmąsias gravitaciniu požiūriu susijusius Visatos objektus. Kokie yra šie objektai?

Dominuojantis požiūris: iš šių debesų gali susidaryti pirmosios milžiniškos žvaigždės, kurios nėra galaktikų dalis, kurios tada nebuvo. Susidomėjimai mažesnio dydžio tankiuose vystosi anksčiau, todėl pirmiausia pasirodė žvaigždės, tada galaktikos. Tačiau džinsų masė jaunoje visatoje yra per didelė žvaigždėms.Manoma, kad tik maža kiekvieno debesies dalis, pirmoji įveikusi džinsų ribą, susiliečia su pirmosiomis žvaigždėmis. Skaitmeninis debesų suspaudimo modeliavimas duoda skirtingus rezultatus: yra įmanoma, kad susidaro viena gigantiška žvaigždė, galbūt keletas – milžinas ir šiek tiek mažesnis aplink jį. Išlieka didelis dujų debesis, kuris negali kondensuotis dėl debesies kampo momento ar naujagimio žvaigždės spinduliuotojo slėgio. Remiantis šiuolaikinėmis sąvokomis, pirmųjų žvaigždžių gimimas prasidėjo antroje ar trečioje šimtoje milijonų metų po visatos gimimo.

Dabartinės žvaigždės yra suskirstytos į dvi populiacijas. Saulė ir dauguma žvaigždžių, kuriuos mes matome danguje, priklauso jaunam I gyventojui. Jie pagaminti iš jau senesnių žvaigždžių, taigi jų sudėtyje yra daug sunkių elementų (astrofizikoje viskas, kas yra sunkesni nei helio, vadinamas sunkiaisiais elementais) . Astrofizikiniame žargonui tai vadinama "dideliu metalumu". Senovės žvaigždės, susidariusios galaktikų gimimo eroje (0,5-3 milijardai metų nuo Visatos gimimo) priklauso senams II. Jų yra keletas sunkių elementų, tokios žvaigždės yra retos Saulės akivaizdoje, jie dominuoja galaktikos ore ir kūginių klasteriuose. Ši žvaigždžių karta jau seniai laikoma pirmuoju.

Tačiau, atsiradus kosmologijai, reikėjo kitos kartos – prieš formuojant galaktikus, pasirodė pirmosios žvaigždės, skirtingai nuo bet kurių šiuolaikinių. Ypač jiems buvo pristatytas pavadinimas "populiacija III" – žvaigždės, kurias niekas niekada nematė. Jie seniai sprogo, paverčiant didžiulėmis juodosiomis skylėmis, galbūt tiems, kurių susiliejimai neseniai buvo aptiktos gravitacinių bangų formos. Tokiose žvaigždėse nėra jokių sunkių elementų, išskyrus didelio sprogimo sintezuojamų ličio mikroskopinius kiekius. Šios žvaigždės gali pasiekti didžiulę masę – šimtus ar net tūkstančius Saulės masių – būtent dėl ​​jų nulinės metališkumo. Kadangi nėra sunkiųjų elementų, termobranduolinės reakcijos, paverčiant vandenilį į helį, vyksta lėčiau (pavyzdžiui, anglies karbonatas vaidina "katalizatorių" "deginant" vandenilį). Be to, šios žvaigždės turi didesnį šilumos laidumą – nėra sunkių elementų, kurie efektyviai sugeria kietąją spinduliuotę. Todėl augimo metu tokios žvaigždės vėliau pasiekia kritinį (Eddingtono) apšvietimą, po kurio spinduliuojamos spinduliuotės pagreitina aplinką ir sustabdo augimą.

Mes kartojame, kad niekas dar nematė "Populiacijos III" žvaigždžių, bet jie turėtų būti. Matyt, jie panaikino tamsius amžius daug anksčiau, nei galime daryti išvadas iš tiesioginių stebėjimų. Vis dėlto tiesioginių stebėjimų gylis turėtų būti padidintas naujojo Jameso Webbo kosminio teleskopo, kurį, mūsų tikimybė, galiausiai bus pradėtas vykdyti kitais metais.

Antrinės jonizacijos erą

Iš pradžių visos dujos visatoje buvo jonizuotos dėl aukšto temperatūros. Tačiau po 380 tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo temperatūra nukrito tiek, kad elektronai susisiekė su vandenilio ir jo heliu, dujos tapo neutralios, o Visata buvo beveik skaidrus. Dabar dauguma intergalaktinių dujų taip pat yra jonizuotos (nors ji išlieka skaidri, nes ji smarkiai išsiplėtė ir jos tankis labai sumažėjo). Kada ji vėl tapo jonizuota? Kada nors tamsiųjų amžių pabaigoje, kai žvaigždės ir kvazaros užsidegė, jonizuojant tarpgalaktines dujas ultravioletiniu šviesa. Kada tai atsitiko? Tiesioginiai matavimai rodo, kad antrinė jonizacija jau įvyko raudonoje 7-10 kartų poslinkyje, atitinkančioje 0,6-1 milijardo metų amžiaus. Jis buvo išaiškintas nuotolinių kvazarų pagalba, nusipelnė "visatos švyturiais".Jie spinduliuoja plataus spektro diapazone, tačiau yra tolimųjų kvazarų spektro kritimo, o kiekvienas panardinimas rodo neutralaus vandenilio debesis ant matymo linijos. Debesis "išleidžia" spindulį 121,5 nm bangos ilgyje (debesų centravimo sistemoje), kuris atitinka vandenilio atomo Lyman-alfa liniją (perėjimą nuo pirmojo susijaudinto lygio iki pagrindinio lygio) su didžiuliu sugerties skerspjūviu. Kadangi šis bangos ilgis yra debesų pamatiniame rėmelyje, dėl visatos plitimo, gedimas pereina į raudoną plotą ir į infraraudonųjų spindulių nuotolius debesis. Debesys su neutraliomis dujomis eina toliau, kuo dažniau, o ne vienos nuolydžių, gaunamas šukas, vadinamas Lyman-alfa mišku. Jei kvazatorius yra labai toli, "miško medžiai" sujungia ir absorbuoja visą kvazaro šviesą bangos ilgiu, trumpesniu nei 121,5 nm x (1 + z), kur z yra kvazaro raudonas poslinkis. Tik štampuotos tik atskiros smailės, atitinkančios jonizuotus debesus (taip vadinamas Gunno-Petersono efektas). Tada jie išnyksta. Tai atsitinka, kai truputį mažesnis nei 10 raudonojo poslinkio, tačiau kai kurios rūšies neužbaigtos jonizacijos tęsiasi toliau, negu raudonasis poslinkis iš 10, tačiau čia kvazarai "nepadeda".Galbūt jie egzistuoja net ir z> 10, galbūt juos atranda Jamesas Webbas, bet visa jų šviesa su bangos ilgiu, trumpesniu nei Lyman-alfa, bus sugerta. Čia gali būti visiškai kitoks elektromagnetinio spektro diapazonas.

Garsioji linija 21 cm

Be astrofizikoje esančių kvazarų, dar vienas puikus reiškinys, galintis apšviesti tamsius amžius, yra 21 cm ilgio neutralaus vandenilio perteklinio suskaidymo radijo linija. Tai yra elektronų ir branduolio magnetinių momentų sąveikos rezultatas. Jis yra toks plačiai paplitęs ir susietas su daugybe reiškinių, kuriuos Juozapas Šklovskis pasiūlė ieškoti signalo apie nežemiškų civilizacijų šioje bangoje – tai pabrėžiama pačia prigimtimi, o racionalios būtybės gali savarankiškai atspėti, kad bando ją bendrauti. Ar pirmosios žvaigždės kažkaip gali pasireikšti šiame diapazone?

Dvifono fono spektro bruožas, interpretuojamas kaip reliatyvios spinduliuotės absorbcija 21 cm linijoje. Horizontaliai – redshift, tam tikram bangos ilgiui z + 1 = L / 21 cm. Viršuje – atitinkamas visatos amžius (milijonais metų). Vertikaliai – signalo amplitudė vienetais ryškumo temperatūra. "Žvalaus signalo" ryškumo temperatūra – nuo 1000 iki 5000 K.

Visų pirma mums reikia "švyturio", kurio bangos ilgis yra 21 cm (dėl Visatos plitimo, mums tai bus metrų diapazonas). Toks "švyturys" (tiksliau, fonas) yra – tai foninė spinduliuotė, apimanti daugybę dažnių. Didžiausia CMB spinduliuotė patenka į mikrobangų spindesį, tačiau skaitiklių srityje ji vis dar gana stiprus – tai vadinamoji Rayleigh-Jeans regionas. Ar galima aptikti tam tikrą funkciją, pvz., Panardinimą į spektrą, jei matuojate dangaus foną metro bangose? Tada ši funkcija gali būti interpretuojama kaip absorbcija 21 cm dažniu neutraliu vandeniliu ankstyvoje Visatoje.

Tyrimai šioje temoje jau seniai vyksta. Pasirodo, kad pirmosios žvaigždės 21 cm absorbcijos linijoje gali išmatuojamą signalą. Nors pirmųjų žvaigždžių nebuvo, vandenilis yra termodinaminėje pusiausvyroje su reliatyviosios spinduliuotės šaltiniu, o per didelio tankio suskaidymas nėra absorbcijos – visata yra skaidri dėl šio bangos ilgio. Tačiau, kai ryškios karštos pirmosios žvaigždės užsidega ir apšviečia erdvę ultravioletiniu šviesa, neutralaus vandenilio būsena (vadinamoji nugaros temperatūra) šiek tiek pasikeičia (atsiranda neryškių vandenilio pogrindžio nebalansinė populiacija), o vandenilis pradeda absorbuoti 21 centimetro radijo bangas.Tai yra kvantinis mechaninis poveikis, dėl kurio reikia daug sudėtingų paaiškinimų, kurie nėra šio straipsnio taikymo sferoje. Vėliau, kai antrinis jonizavimas yra baigtas, absorbcija išnyksta: nėra neutralių atomų – nėra perpildytos skaidymo. Taigi foninės spinduliuotės spektruje reikia ieškoti nelygumų skaitiklio diapazone, atitinkančio 21 cm liniją, kuriam raudona poslinkis yra 10 … 20, atitinkantis tariamą tamsių amžių pabaigą.

Neseniai parengtame Cohen ir kt. Straipsnyje, 2017 m., Šis gedimas buvo skaičiuojamas skaičiuojant įvairius ankstyvosios visatos parametrų variantus. Dėl labiausiai tikėtinų parametrų jis turėtų prasidėti maždaug 70 MHz dažniu (raudonasis poslinkis šiek tiek daugiau nei 20, amžius – apie 170 Ma), pasiekia dugną 90-100 MHz (z ~ 15) ir išnyksta, nes antrinė jonizacija įvyksta z ~ 12 … 9.

Pasirodė pirmųjų žvaigždžių takas?

Informacinė šio straipsnio priežastis buvo J. D. Bowmano ir kt. Leidinys. Gamtakai pateikiami įrodymai apie foninės radiacijos absorbciją 60-100 MHz juostoje. Išmatuotos foninės spinduliuotės dažniais, mažesniais negu 200 MHz, vidurkis virš dangaus. Didžioji dalis signalo yra galaktikos fonas, tačiau jei jūs išvalote duomenis iš galaktikos fono (daugiausia sinchroninės elektronų spinduliuotės tarpžvaigždiniame magnetiniame lauke),tada stebimame radijo spektre atsiranda charakteringa duobė, panaši į Coheno ir kt. prognozes, 2017 m. Atkreipkite dėmesį, kad nustatytas efektas yra mažesnis nei vienas dviejų tūkstančių žaliavinio signalo, o fono atimimo rezultatas priklauso nuo jo modelio. Be to, šiame straipsnyje pripažįstamas galimas instrumentinio ir atmosferos poveikis, imituojantis rezultatą.

Norint suabejoti rezultatu, būtina suprasti daug techninių detalių, tačiau yra viena įtartina aplinkybė: signalas yra per didelis. Šulinio gylis yra daugiau nei du kartus didesnis už teorinius sąmatas Cohen ir kt., 2017 m. Tai nėra mirtina, tačiau norint suderinti rezultatą su skaičiavimais, būtina išeiti iš kelio ir padaryti per daug spekuliacines prielaidas. Būtent: arba kosmologai padarė klaidą su WMAP ir Planck duomenimis ir nepakankamai įvertino ankstyvosios visatos heterogeniškumo kontrastą, arba tamsioji materija iš tiesų nėra tokia tamsi ir pastebimai sąveikauja su įprastine medžiaga esant mažam dalelių greičiui (greičiausiai ši prielaida yra pilna katastrofos centrinėje šiuolaikinių galaktikų sritys). Tai reiškia, kad tai akivaizdžiai neįprastos prielaidos, kurios, pasak Karlo Sagano, reikalauja "ypatingų įrodymų".

Šį rezultatą, pagrįstą gana sudėtingo poveikio modeliais, sunku priskirti neeiliniams liudijimams, tačiau nėra pakankamo pagrindo jį atmesti. Akivaizdu, kad artimiausioje ateityje pasirodys "skrydžio analizė", o "James Webb" paleidimas nėra toks toli, kuris gali atrodyti žymiai gilesnis tamsių amžių kryptimi, nei galimi teleskopai. Galų gale tamsus amžius bus sumažintas iki kelių šimtų milijonų metų …

Autorius yra dėkingas Konstantinui Postnovui už tam tikrus paaiškinimus.


1. Pasaulinėje literatūroje dominuoja terminas "kosminis mikrobangų fonas", bet mano skonio "reliktų spinduliavimas" (Joseph Shklovsky) yra daug tikslesnis.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: