Akhir zaman gelap

Akhir zaman gelap

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

Robin Dienel / Institut Sains Carnegie

Pada awal bulan Mac 2018 di Malaysia Alam menerbitkan artikel tentang hasil pemerhatian astronomi, yang ditafsirkan sebagai bukti kelahiran besar-besaran bintang pertama di alam semesta sekitar 180 Ma. Artikel itu menyebabkan tindak balas yang ketara dalam media. Untuk membentangkan hasilnya kepada kalangan pembaca yang luas, lawatan ke alam semesta muda diperlukan.

Zaman Gelap dan Bintang Pertama

Bintang pertama. Artis fantasi. N.R. Fuller, Yayasan Sains Kebangsaan

Gambar awal dari alam semesta – peta radiasi latar belakang [1]. Dalam gambar yang mengagumkan ini, dia berusia 380 ribu tahun. Inilah masanya apabila hidrogen terionisasi menjadi neutral dan telus – masa rekombinasi. Apa yang sebelum ini tidak dapat dilihat, tetapi pulih dari analisis peta. Apa yang kami lakukan pada 500 juta tahun yang akan datang, kami juga tidak melihat: ini adalah zaman kegelapan yang dipanggil. Perkara pertama yang muncul dari zaman kegelapan adalah galaksi awal, quasar, pecah sinar gamma dengan redshift mendekati sepuluh atau lebih. Bolehkah kita mengamalkan apa yang berlaku semasa zaman kegelapan?

Pada usia 380 ribu tahun alam semesta adalah sedikit heterogen: kontras ketumpatan yang dibuat oleh gumpalan bahan gelap,adalah kira-kira seribu, sementara heterogeneity dari semua saiz – dari meter ke gigaparsekov. Sebaliknya kontras ketumpatan mula berkembang disebabkan oleh ketidakstabilan graviti, tetapi tidak sekata dan tidak serentak untuk tandan pelbagai saiz. Gumpalan kecil tidak dapat mengecut kerana tekanan gas yang memenuhi lubang-lubang yang berpotensi. Ada kriteria Jeans: gumpalan gas dapat mengecut di bawah tindakannya sendiri, jika jisimnya melebihi batas tertentu. Had ini, jisim Jeans, adalah berkadaran dengan suhu tandan di darjah 3/2 dan berkadar songsang dengan akar tekanan. Pada alam semesta awal, dalam zaman kegelapannya, jisim jeans minimum adalah 105-106 massa suria. Awan sedemikian boleh membentuk benda graviti yang pertama di alam semesta. Apakah objek-objek ini?

Pandangan yang dominan: dari awan ini boleh membentuk bintang gergasi pertama yang bukan sebahagian daripada galaksi, yang kemudiannya tidak wujud. Perturbasi kepadatan berukuran lebih kecil berkembang sebelum ini, oleh itu, bintang-bintang pertama muncul, dan kemudian galaksi. Walau bagaimanapun, jisim Jeans di alam semesta muda terlalu besar untuk bintang-bintang.Dipercayai bahawa hanya sebahagian kecil daripada setiap awan, yang pertama untuk mengatasi had Jeans, memeluk bintang pertama. Model pemampatan awan berangka menghasilkan keputusan yang berbeza: mungkin satu bintang gergasi terbentuk, mungkin beberapa – gergasi dan agak lebih kecil di sekelilingnya. Masih terdapat awan gas yang besar yang tidak dapat mengembara disebabkan momentum sudut awan atau tekanan radiasi bintang yang baru lahir. Mengikut konsep moden, kelahiran bintang-bintang pertama bermula pada tahun kedua atau ketiga ratus juta tahun selepas kelahiran alam semesta.

Bintang semasa dibahagikan kepada dua populasi. Matahari dan kebanyakan bintang yang kita lihat di langit tergolong dalam golongan muda I. Mereka terbuat dari bahan yang sudah ada pada bintang yang lebih tua, jadi terdapat banyak unsur berat di dalamnya (dalam astrofizik, segala sesuatu yang lebih berat daripada helium disebut "unsur berat" . Dalam jargon astrofizikal, ini disebut "metallicity yang tinggi." Bintang yang lebih tua, dibentuk pada era kelahiran galaksi (0.5-3 bilion tahun dari kelahiran Semesta), tergolong dalam populasi lama II. Terdapat beberapa unsur berat di dalamnya, bintang-bintang seperti ini jarang terdapat di sekitar Matahari, mereka menguasai halo galaksi dan dalam kluster sfera. Penjanaan bintang ini telah lama dianggap sebagai yang pertama.

Tetapi dengan perkembangan kosmologi, ada keperluan untuk generasi yang lain – sebelum pembentukan galaksi, bintang yang pertama muncul, tidak seperti mana-mana yang moden. Terutama bagi mereka, mereka memperkenalkan nama "populasi III" – bintang yang tidak pernah dilihat oleh seseorang. Mereka meletup dahulu, bertukar menjadi lubang hitam besar-besaran, mungkin mereka yang penggabungan baru-baru ini ditemui dalam bentuk gelombang graviti. Di bintang-bintang ini tidak ada elemen berat sama sekali, kecuali jumlah mikroskopik lithium yang disintesis semasa Big Bang. Bintang-bintang ini dapat mencapai massa yang besar – beratus-ratus atau bahkan beribu-ribu massa Matahari – tepat kerana metallicity sifar mereka. Sekiranya tiada elemen berat, reaksi termonuklear untuk menukar hidrogen ke helium menjadi lebih perlahan (karbon, sebagai contoh, memainkan peranan sebagai pemangkin dalam pembakaran hidrogen). Di samping itu, bintang-bintang ini mempunyai kekonduksian terma yang lebih tinggi – tiada elemen berat yang menyerap radiasi yang berkesan. Oleh itu, dalam masa pertumbuhan, bintang-bintang seperti itu kemudian mencapai pencahayaan kritikal (Eddington), selepas itu mereka mempercepatkan masalah sekitar dengan tekanan radiasi mereka dan berhenti berkembang.

Kita ulangi, belum ada yang melihat bintang-bintang Populasi III, tetapi mereka sepatutnya. Rupa-rupanya, mereka menamatkan zaman kegelapan lebih awal daripada yang dapat kita simpulkan dari pemerhatian langsung. Walau bagaimanapun, kedalaman pemerhatian langsung perlu ditingkatkan oleh teleskop ruang James Webb baru, yang kami harap akhirnya akan dilancarkan tahun depan.

Era pengionan menengah

Pada mulanya, semua gas di alam semesta telah terionisasi kerana suhu tinggi. Tetapi selepas 380 ribu tahun selepas Big Bang, suhu turun begitu banyak sehingga elektron dihubungi nuklei hidrogen dan helium, gas menjadi neutral, dan Universe hampir telus untuk radiasi. Sekarang kebanyakan gas intergalactic juga diionisasikan (sementara ia tetap telus, kerana ia telah berkembang dengan banyak, dan ketumpatannya telah jatuh secara dramatis). Bilakah ia menjadi terion lagi? Di suatu tempat di akhir zaman gelap, ketika bintang-bintang dan kuarsa menyala, mengionkan gas intergalaktik dengan cahaya ultraviolet mereka. Bila betul-betul berlaku ini? Pengukuran langsung menunjukkan bahawa pengionan menengah telah berlaku pada pergeseran merah 7-10, yang sepadan dengan umur 0.6-1 bilion tahun. Ia telah ditemui dengan bantuan quasar jauh, sepatutnya dipanggil "suar dari alam semesta."Mereka bersinar dalam pelbagai spektrum yang luas, tetapi terdapat penurunan dalam spektrum kuarza yang jauh, dan setiap mencelupkan menunjukkan kehadiran awan hidrogen neutral pada garis penglihatan. Awan "memakan jauh" jurang pada panjang gelombang 121.5 nm (dalam sistem rujukan awan), yang sepadan dengan garis Lyman-alfa atom hidrogen (peralihan dari tahap pertama yang teruja ke tahap utama) dengan seksyen salib penyerapan yang besar. Oleh kerana panjang gelombang ini adalah dalam rangka rujukan awan, kerana pengembangan alam semesta, kegagalan bergerak ke kawasan merah, dan kepada inframerah untuk awan jauh. Awan gas neutral pergi lebih jauh, lebih kerap, bukan satu dips tunggal, satu sikat diperoleh, yang disebut hutan Lyman-alfa. Sekiranya quasar adalah sangat jauh, maka "pokok-pokok hutan" menggabungkan dan menyerap semua cahaya quasar dengan panjang gelombang yang lebih pendek daripada 121.5 nm x (1 + z), di mana z adalah pergeseran semula quasar. Hanya puncak individu sepadan dengan awan terionisasi (apa yang dipanggil kesan Gunn-Peterson) ditumbuk. Kemudian mereka hilang. Ini berlaku pada peralihan yang sedikit kurang dari 10, tetapi beberapa jenis pengionan tidak lengkap melangkah lebih jauh, di luar peralihan semula 10, tetapi quasar tidak akan "membantu".Mungkin mereka wujud walaupun di z> 10, mungkin mereka ditemui oleh James Webb, tetapi semua cahaya mereka dengan panjang gelombang yang lebih pendek daripada Lyman-alpha akan diserap. Julat spektrum elektromagnet yang sangat berbeza dapat membantu di sini.

Baris terkenal 21 cm

Selain quasars dalam astrofisika terdapat satu lagi fenomena luar biasa yang dapat menerangi zaman kegelapan, garis radio superfine pemisahan hidrogen neutral 21 cm panjang. Ini adalah hasil dari interaksi momen magnetik elektron dan nukleus. Ia begitu meluas dan terikat kepada banyak fenomena yang Joseph Shklovsky mencadangkan mencari isyarat tamadun luar angkasa pada gelombang ini – ia diserlahkan oleh sifat itu sendiri, dan makhluk rasional boleh meneka secara bebas untuk mencuba untuk komunikasi. Bolehkah bintang-bintang pertama entah bagaimana nyata dalam julat ini?

Satu ciri dalam spektrum latar belakang langit, ditafsirkan sebagai penyerapan radiasi relik pada garis 21 cm. Horizontally – redshift, untuk panjang gelombang yang diberikan z + 1 = L / 21 cm. Di atas – usia sejajar alam semesta (dalam juta tahun). Menegak – amplitud isyarat dalam unit suhu kecerahan. Suhu kecerahan "isyarat mentah" – dari 1000 hingga 5000 K

Pertama sekali, kita memerlukan "beacon" pada panjang gelombang 21 cm (kerana pengembangan Semesta, bagi kita ini akan menjadi julat meter). Seperti "suar" (lebih tepatnya, latar belakang) adalah – radiasi latar belakang, yang meliputi pelbagai frekuensi. Maksimum radiasi CMB jatuh ke atas gelombang mikro, tetapi dalam jarak meter itu masih cukup kuat – ini adalah kawasan Rayleigh-Jeans yang dipanggil. Adakah mungkin untuk mengesan beberapa ciri, seperti berenang dalam spektrum, jika anda mengukur latar belakang langit dalam gelombang meter? Kemudian ciri ini dapat ditafsirkan sebagai penyerapan pada kekerapan 21 cm oleh hidrogen neutral di alam semesta awal.

Penyelidikan mengenai topik ini telah berlangsung lama. Ternyata bintang-bintang pertama mungkin memberikan isyarat yang dapat diukur dalam garis penyerapan 21 cm. Walaupun tidak ada bintang pertama, hidrogen berada dalam keseimbangan termodinamik dengan radiasi relik, dan tidak ada penyerapan pada pemisahan hiperfin – Alam semesta adalah telus pada panjang gelombang ini. Tetapi apabila bintang pertama yang panas terang menyala dan menerangi ruang dengan cahaya ultraviolet, keadaan hidrogen neutral (suhu spin yang dipanggil) berubah sedikit (populasi non-keseimbangan sublevels hidrogen ultrathin muncul), dan hidrogen mula menyerap gelombang radio 21-centimeter.Ini adalah kesan mekanik kuantum yang memerlukan penjelasan yang agak rumit yang berada di luar skop artikel ini. Kemudian, apabila pengionan menengah selesai, penyerapan hilang: tidak ada atom neutral – tidak ada pembahagian hyperfine. Oleh itu, dalam spektrum radiasi latar belakang, adalah perlu untuk melihat penurunan dalam lingkungan meter, bersamaan dengan garis 21 cm, tertakluk kepada peralihan semula 10 … 20, sepadan dengan akhir yang sepatutnya zaman kegelapan.

Dalam makalah baru-baru ini oleh Cohen et al., 2017, kegagalan ini dihitung secara numerik untuk variasi variasi parameter alam semesta awal. Untuk parameter yang paling munasabah, ia harus bermula pada kekerapan kira-kira 70 MHz (redshift sedikit lebih daripada 20, umur – kira-kira 170 Ma), mencapai bahagian bawah pada 90-100 MHz (z ~ 15) dan pudar sebagai pengionan menengah berlaku di z ~ 12 … 9.

Jejak bintang pertama dijumpai?

Alasan maklumat untuk artikel ini adalah penerbitan J. D. Bowman et al., Alamdi mana bukti diberikan penyerapan radiasi latar belakang dalam band 60-100 MHz. Sinaran latar belakang yang diukur pada frekuensi kurang daripada 200 MHz, disusun di atas langit. Kebanyakan isyarat adalah latar belakang galaksi, tetapi jika anda membersihkan data dari latar belakang galaksi (terutamanya sinaran radikal sinar elektron dalam medan magnet interstellar),maka di dalam spektrum radio yang dapat dilihat sebuah lubang ciri muncul, menyerupai ramalan Cohen et al., 2017. Perhatikan bahawa kesan yang ditemui adalah kurang dari satu dua ribu sentimen mentah, dan hasil pengurangan latar belakang bergantung pada modelnya. Di samping itu, kesan penting dan atmosfera yang mungkin meniru hasilnya, yang diiktiraf dalam artikel itu.

Untuk mempersoalkan hasilnya, perlu memahami banyak butiran teknikal, tetapi ada satu keadaan yang mencurigakan: isyaratnya terlalu besar. Kedalaman sumurnya lebih daripada dua kali perkiraan teori Cohen et al., 2017. Ini tidak membawa maut, tetapi untuk menyelaraskan hasilnya dengan anggaran berangka, perlu untuk keluar dari jalan dan membuat andaian terlalu spekulatif. Iaitu: sama ada pakar kosmologi membuat kesilapan dengan data WMAP dan Planck dan meremehkan perbezaan heterogenesis alam Semesta awal, atau perkara gelap sebenarnya tidak begitu gelap dan berinteraksi dengan hal biasa dengan halaju zarah rendah (kemungkinan besar, anggapan ini penuh dengan bencana di pusat kawasan galaksi moden). Iaitu, ini adalah andaian yang luar biasa yang jelas, menurut Karl Sagan, memerlukan "bukti yang luar biasa."

Keputusan ini, berdasarkan kepada model-model kesan yang agak rumit, sukar untuk diucapkan kepada kesaksian yang luar biasa, tetapi tidak ada alasan yang mencukupi untuk menolaknya sama ada. Ternyata, kerja dengan "analisis penerbangan" akan muncul dalam waktu dekat, dan peluncuran "James Webb" tidak begitu jauh, yang dapat dilihat lebih jauh dalam arah zaman gelap dari teleskop yang ada. Pada akhirnya, zaman kegelapan akan dikurangkan kepada beberapa ratus juta tahun …

Penulis bersyukur kepada Konstantin Postnov untuk beberapa penjelasan.


1. Istilah latar gelombang mikro kosmik menguasai kesusasteraan dunia, tetapi untuk rasa saya "radiasi relik" (Iosif Shklovsky) jauh lebih tepat.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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