Slutningen af ​​de mørke aldre

Slutningen af ​​de mørke aldre

Boris Stern
"Trinity Option" №5 (249), 13. marts 2018

Robin Dienel / Carnegie Institut for Naturvidenskab

I begyndelsen af ​​marts 2018 i natur offentliggjorde en artikel om resultatet af astronomiske observationer, som fortolkes som bevis for massen af ​​de første stjerner i universet omkring 180 millioner år gammel. Artiklen medførte et mærkbart svar i medierne. For at kunne præsentere resultatet til en bred kreds af læsere, er der behov for en udflugt i det unges universs historie.

Mørke alder og første stjerner

De første stjerner. Fantasy kunstner. N.R. Fuller, National Science Foundation

Det tidligste øjebliksbillede af universet – et kort over baggrundsstrålingen [1]. I dette storslåede billede er hun 380 tusinde år gammel. Dette er det øjeblik, hvor ioniseret hydrogen blev neutral og gennemsigtig – øjeblikket for rekombination. Det, der var før, er ikke synligt, men er godt genfundet fra analysen af ​​kortet. Hvad vi gjorde i de næste ca. 500 millioner år, ser vi heller ikke: det er de såkaldte mørke aldre. Den første ting, der kommer fra de mørke aldre, er de tidlige galakser, kvasarer, gamma-stråleudbrud med en redshift, der nærmer sig ti eller endnu mere. Kan vi pålideligt finde ud af, hvad der skete i de mørke aldre?

I en alder af 380 tusinde år var universet lidt heterogent: densitetskontrast skabt af blodpropper af mørk materie,var omkring en tusindedel, mens heterogeniteten var af alle størrelser – fra meter til gigaparsekov. Derefter begyndte tætheds kontrasten at vokse på grund af tyngdekraft ustabilitet, men ujævnt og ikke samtidigt for bunker af forskellig størrelse. Små blodpropper kunne ikke krympes på grund af trykket af gassen, der fyldte de potentielle huller. Der er et kriterium for jeans: en gasprop kan krympe under egen handling, hvis dens masse overstiger en vis grænse. Denne grænse, Jeansens masse, er proportional med bunkens temperatur i grad 3/2 og omvendt proportional med trykets rod. I det tidlige univers, i den mørke tid, er den mindste Jeans masse 105-106 solmasser. Sådanne skyer kan danne de første gravitationsrelaterede objekter i universet. Hvad er disse objekter?

Det dominerende synspunkt: Fra disse skyer kunne de danne de første kæmpestjerner, der ikke er en del af galakserne, som da ikke eksisterede. Perturbations af mindre størrelse tæthed udvikle tidligere, derfor stjerner først dukkede op, og derefter galakser. Massen af ​​jeans i det unge univers er imidlertid for stor til stjerner.Det menes, at kun en lille del af hver af skyerne, den første til at overvinde jeansgrænsen, kondenseres til de første stjerner. Numerisk modellering af cloud-kompression giver forskellige resultater: det er muligt, at der er dannet en kæmpestjerner, måske flere – en kæmpe og lidt mindre omkring den. Der forbliver en stor gasmask, der ikke kan kondensere på grund af skyens vinkelmoment eller strålende tryk hos den nyfødte stjerne. Ifølge moderne begreber begyndte fødslen af ​​de første stjerner i andet eller tredje hundrede millioner år efter universets fødsel.

De nuværende stjerner er opdelt i to populationer. Solen og de fleste stjerner vi ser på himlen tilhører den unge befolkning I. De er lavet af materiel, der allerede har været i ældre stjerner, så der er ganske mange tunge elementer i dem (i astrofysik er alt tungere end helium kaldet "tunge elementer" . I astrofysisk jargon kaldes dette "høj metallicitet". Ældre stjerner, der er dannet i den tid, hvor galakserne fødte (0,5-3 milliarder år fra universets fødsel), tilhører den gamle befolkning II. Der er få tunge elementer i dem, sådanne stjerner er sjældne i nærheden af ​​solen, de dominerer i den galaktiske halo og i kugleformede klynger. Denne generation af stjerner er længe blevet betragtet som den første.

Men med udviklingen af ​​kosmologi var der behov for en anden generation – før dannelsen af ​​galakser skulle de allerførste stjerner fremstå, i modsætning til nogen af ​​de moderne. Især for dem introducerede de navnet "population III" – stjerner som ingen nogensinde har set. De eksploderede længe siden og blev til massive sorte huller, muligvis dem, hvis fusioner blev for nylig opdaget i form af gravitationsbølger. I disse stjerner er der slet ingen tunge elementer, bortset fra de mikroskopiske mængder lithium syntetiseret under Big Bang. Disse stjerner kunne nå enorme masser – hundredvis eller endda tusindvis af masser af solen – netop på grund af deres nul metallicitet. I mangel af tunge elementer går termonukleare reaktioner med omdannelse af hydrogen til helium langsommere (kulstof spiller for eksempel en katalysators rolle i "brændende" hydrogen). Derudover har disse stjerner en højere varmeledningsevne – der er ingen tunge elementer, der effektivt absorberer hård stråling. I løbet af væksten når sådanne stjerner senere den kritiske (Eddington) lysstyrke, hvorefter de accelererer det omgivende materiale ved tryk på deres stråling og holder op med at vokse.

Vi gentager, at ingen endnu har set stjernerne i befolkning III, men de burde være. Tilsyneladende sætter de en ende på de mørke aldre meget tidligere end vi kan konkludere fra direkte observationer. Imidlertid bør dybden af ​​direkte observationer øges af det nye James Webb-rumteleskop, som vi håber, vil blive lanceret næste år.

Æra med sekundær ionisering

I begyndelsen blev al gas i universet ioniseret på grund af den høje temperatur. Men efter 380 tusinde år efter Big Bang faldt temperaturen så meget, at elektronerne kontaktede kernerne hydrogen og helium, gassen blev neutral, og universet var næsten gennemsigtigt for stråling. Nu ioniseres det meste af den intergalaktiske gas (mens den forbliver gennemsigtig, fordi den er stærkt udvidet, og dens densitet er faldet dramatisk). Hvornår blev det ioniseret igen? Et sted i slutningen af ​​de mørke aldre, da stjernerne og kvaserne lyste op, ioniserede den intergalaktiske gas med deres ultraviolette lys. Hvornår skete det præcist? Direkte målinger viser, at sekundær ionisering allerede forekom ved et rødt skift på 7-10, hvilket svarer til en alder på 0,6-1 milliarder år. Det blev fundet ved hjælp af fjerne kvasarer, fortjente kaldt "beacons of the universe."De skinner i et bredt spektralområde, men der er dips i spektret af fjerne kvasarer, og hver dip indikerer tilstedeværelsen af ​​en neutral brintsky på synsfeltet. Skyen "spiser væk" kløften ved en bølgelængde på 121,5 nm (i skyens referencesystem), som svarer til hydrogenatomens Lyman-alfa-linje (overgang fra det første ophidsede niveau til hovedniveauet) med et stort absorptionssnit. Da denne bølgelængde er i skyens referenceramme, skyldes universets ekspansion, at fejlen flytter til det røde område og til infrarødt for fjerntliggende skyer. Skyer af neutral gas går længere, jo oftere, i stedet for enkle dips, opnås en kam, kaldet Lyman-alfa-skoven. Hvis kvasaren er meget langt væk, smelter og absorberer "skovens træer" alt kvasens lys ved bølgelængder kortere end 121,5 nm x (1 + z), hvor z er quasars redshift. Kun individuelle toppe svarende til ioniserede skyer (den såkaldte Gunn-Peterson-effekt) stanses. Så forsvinder de. Dette sker ved en redshift på lidt mindre end 10, men en form for ufuldstændig ionisering strækker sig længere ud end redshiftet på 10, men kvasarer her vil ikke "hjælpe".Måske eksisterer de selv ved z> 10, måske bliver de opdaget af James Webb, men al deres lys med en bølgelængde kortere end Lyman-alpha vil blive absorberet. Et helt andet område af det elektromagnetiske spektrum kan hjælpe her.

Den berømte linje 21 cm

Ud over kvasarer i astrofysik er der et andet bemærkelsesværdigt fænomen, der kan belyse de mørke aldre, radien af ​​superfine splittelse af neutralt hydrogen 21 cm langt. Dette er resultatet af interaktionen mellem elektronens og kernens magnetiske øjeblikke. Det er så udbredt og bundet til mange fænomener, at Joseph Shklovsky foreslog at lede efter et signal om udenjordiske civilisationer på denne bølge – det fremhæves af naturen selv, og rationelle skabninger kan selvstændigt gætte at forsøge det for kommunikation. Kan de første stjerner på en eller anden måde manifestere sig i denne rækkevidde?

En funktion i spektret af himlen baggrund, fortolket som absorptionen af ​​reliksstråling i 21-cm linjen. Vandret – redshift, for en given bølgelængde z + 1 = L / 21 cm. Ovenfor – den tilsvarende alder af universet (i millioner år). Lodret – signalamplitude i enheder af lysstyrketemperatur. Lysstyrketemperaturen for "rå signal" – fra 1000 til 5000 K

Først og fremmest har vi brug for et "fyr" ved en bølgelængde på 21 cm (på grund af universets ekspansion, for os vil dette være et måleområde). Et sådant "fyr" (mere præcist baggrunden) er – det er baggrundsstrålingen, der dækker et bredt spektrum af frekvenser. Den maksimale CMB-stråling falder på mikrobølger, men i måleområdet er den stadig ret stærk – det er den såkaldte Rayleigh-Jeans-region. Er det muligt at opdage nogle funktioner, såsom en dip i spektret, hvis du måler himmelbakgrunden i målerbølger? Derefter kunne denne funktion fortolkes som absorption ved 21 cm frekvens ved neutralt hydrogen i det tidlige univers.

Forskning i dette emne har foregået i lang tid. Det viser sig, at de første stjerner måske giver et målbart signal i absorptionslinjen på 21 cm. Mens der ikke var nogen første stjerner, er hydrogen i termodynamisk ligevægt med reliksstråling, og der er ingen absorption ved hyperfinsplitningen – universet er gennemsigtigt ved denne bølgelængde. Men når de lyse, varme første stjerner tændes og belyser rummet med ultraviolet lys, ændres tilstanden af ​​neutralt hydrogen (den såkaldte spin-temperatur) lidt (en ligevægtspopulation af ultratynde hydrogenunderlevelser fremkommer), og hydrogenet begynder at absorbere 21-centimeter radiobølger.Dette er en kvantemekanisk effekt, der kræver lidt besværlige forklaringer, der ligger uden for denne artikels anvendelsesområde. Senere, når sekundær ionisering er afsluttet, forsvinder absorptionen: der er ingen neutrale atomer – der er ingen hyperfinsplitning. I baggrunden af ​​baggrundsstrålingen er det således nødvendigt at lede efter en dip i måleområdet, svarende til 21 cm-linjen, udsat for en redshift på 10 … 20 svarende til den antatte ende af de mørke aldre.

I et nylig papir fra Cohen et al., 2017, blev denne fejl beregnet numerisk for forskellige variationer af parametrene i det tidlige univers. For de mest sandsynlige parametre skal den starte med en frekvens på ca. 70 MHz (redshift lidt mere end 20, alder – ca. 170 Ma), nå bunden ved 90-100 MHz (z ~ 15) og fade ud, da sekundær ionisering forekommer ved z ~ 12 … 9.

Sporet af de første stjerner fundet?

Informationsårsag til denne artikel var publikationen af ​​J. D. Bowman et al., naturhvor der er tegn på absorptionen af ​​baggrundsstrålingen i 60-100 MHz båndet. Målt baggrundsstråling ved frekvenser mindre end 200 MHz, i gennemsnit over himlen. Det meste af signalet er den galaktiske baggrund, men hvis du renser dataene fra den galaktiske baggrund (primært synkrotronstråling af elektroner i et interstellært magnetfelt)så fremkommer det i det observerbare radiospektrum en karakteristisk pit, der ligner forudsigelserne af Cohen et al., 2017. Bemærk, at den fundet effekt er mindre end en to tusindedel af råsignalet, og resultatet af at trække baggrunden afhænger af dens model. Derudover er de mulige instrumentelle og atmosfæriske effekter, der efterligner resultatet, som er anerkendt i artiklen.

For at stille spørgsmålstegn ved resultatet er det nødvendigt at forstå mange tekniske detaljer, men der er en mistænkelig omstændighed: signalet er for stort. Dybden af ​​brønden er mere end to gange de teoretiske estimater af Cohen et al., 2017. Dette er ikke dødelig, men for at afstemme resultatet med de numeriske estimater er det nødvendigt at komme ud af vejen og gøre for spekulative antagelser. Nemlig: enten kosmologer lavede en fejl med WMAP og Planck data og undervurderede kontrast af heterogeniteter i det tidlige univers, eller mørkt materiale er faktisk ikke så mørkt og interagerer mærkbart med almindeligt materiale ved lavpartikelhastigheder (sandsynligvis er denne antagelse fyldt med en katastrofe i det centrale områder af moderne galakser). Det vil sige, at disse er helt klart ekstraordinære antagelser, som ifølge Karl Sagan kræver "ekstraordinære beviser".

Dette resultat, der er baseret på modeller af ret komplekse effekter, er svært at tildele til ekstraordinære vidnesbyrd, men der er ikke tilstrækkelig grund til at afvise det heller. Tilsyneladende vil arbejdet med "flyanalyse" vises i den nærmeste fremtid, og lanceringen af ​​"James Webb" er ikke så fjernt, som kan se meget dybere i retning af de mørke aldre end eksisterende teleskoper kan gøre. Til sidst bliver de mørke aldre reduceret til et par hundrede millioner år …

Forfatteren er taknemmelig for Konstantin Postnov for en række præciseringer.


1. Udtrykket kosmisk mikrobølge baggrund dominerer verdenslitteraturen, men efter min smag er "reliksstråling" (Joseph Shklovsky) meget mere præcis.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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