Noor, tähte moodustav piirkond, mis asub meie enda Linnutee ääres. Pange tähele, kuidas tähtede ümber olev materjal ioniseerub ja aja jooksul muutub läbipaistvaks igasuguse valguse suhtes. Kuni see juhtub, neelab ümbritsev gaas aga kiirgust, eraldades oma valgust mitmesugustel lainepikkustel. Varases universumis kulub sadu miljoneid aastaid, kuni universum muutub täielikult valguse jaoks läbipaistvaks. (NASA, ESA JA HUBBELI OMAVALITSUS (STSCI / AURA) -ESA / HUBBLE KOOSTÖÖ; TUNNUSTAMINE: R. O’CONNELL (VIRGINIA ÜLIKOOL) ja WFC3 TEADUSLIK ÜLEVAATUSKOMITEE)

Millal sai universum valguseks läbipaistvaks?

Sõltuvalt sellest, kuidas te seda mõõdate, on kaks erinevat vastust, mis võivad olla õiged.

Kui soovite näha, mis seal universumis toimub, peate kõigepealt saama seda näha. Peame täna enesestmõistetavaks, et universum on valguse suhtes läbipaistev ja kaugetest objektidest tulev valgus võib enne meie silmadesse jõudmist takistuseta läbi kosmose liikuda. Kuid see ei olnud alati nii.

Tegelikult on kahel viisil, kuidas Universum saab peatada valguse sirgjoonelise levimise. Üks on täita Universum vabade, seondumata elektronidega. Seejärel hajub valgus elektronidega laiali, põrkudes juhuslikult määratud suunas. Teine eesmärk on täita Universum neutraalsete aatomitega, mis võivad kokku kloppida ja kobestada. Sel juhul blokeerib valgus selle samamoodi, nagu enamus tahkeid objekte on valguse suhtes läbipaistmatud. Meie tegelik universum teeb neid mõlemaid ja ei muutu läbipaistvaks enne, kui mõlemad takistused on ületatud.

Neutraalsed aatomid moodustusid vaid paarsada tuhat aastat pärast Suurt Pauku. Esimesed tähed hakkasid neid aatomeid taas ioniseerima, kuid tähtede ja galaktikate moodustamiseks kulus sadu miljoneid aastaid, kuni see protsess, mida tunti kui reioniseerimist, oli lõpule viidud. (REIONISATSIOONIVAHENDI VESINIKU EPOCH (HERA))

Universumi varasemates etappides aatomid, mis moodustavad kõigest, millest me teame, ei olnud seotud neutraalses konfiguratsioonis, vaid olid ioniseeritud: plasma olekus. Kui valgus liigub läbi piisavalt tiheda plasma, hajub see elektronid laiali, neeldudes ja eraldudes erinevates ettearvamatutes suundades. Kuni on piisavalt vabu elektrone, lüüakse läbi Universumi voogavaid footoneid juhuslikult ringi.

Isegi nendes varajastes staadiumides toimub konkureeriv protsess. See plasma on valmistatud elektronidest ja aatomituumadest ning on energiliselt soodsad, et nad omavahel seostuksid. Mõnikord teevad nad seda isegi varasetel aegadel täpselt nii, et ainult piisavalt energeetilise footoni sisend suudab need taas üksteisest lahutada.

Universumi kanga laienedes venivad ka mis tahes olemasoleva kiirguse lainepikkused. See põhjustab Universumi vähem energeetiliseks muutumist ja muudab paljud kõrge energiaga protsessid, mis toimuvad spontaanselt varajastel aegadel, hilisematel jahedamatel ajastutel võimatuks. Universumi piisavalt jahtumiseks on vaja sadu tuhandeid aastaid, et tekiks neutraalsed aatomid. (E. SIEGEL / GALAXIA JÄRGI)

Universumi laienedes ei muutu see mitte ainult vähem tihedaks, vaid selles olevad osakesed muutuvad vähem energeetiliseks. Kuna kosmosekangas ise laieneb, mõjutab see iga selle ruumi kaudu liikuvat fotoni. Kuna footoni energia on määratud selle lainepikkusega, siis selle lainepikkuse venitudes nihkub footon - punaselt nihkunud - madalamatesse energiadesse.

See on vaid aja küsimus, kuni kõik Universumi footonid langevad alla kriitilise energia läve: energia, mis on vajalik varajases Universumis olevate üksikute aatomite elektronide eemaldamiseks. Pärast suurt pauku kulub sadu tuhandeid aastaid pärast seda, kui footonid kaotavad piisavalt energiat, et neutraalsete aatomite moodustumine oleks isegi võimalik.

Varastel aegadel (vasakul) hajuvad footonid elektronid laiali ja on piisavalt kõrge energiaga, et noomida aatomid tagasi ioniseeritud olekusse. Kui Universum on piisavalt jahtunud ja tal puuduvad sellised kõrge energiaga footonid (paremal), ei saa nad suhelda neutraalsete aatomitega. Selle asemel voolavad nad lihtsalt määramata ajaks läbi kosmose, kuna neil on vale aatompikkus, et erutada neid aatomeid kõrgemale energiatasemele. (E. SIEGEL / GALAXIA JÄRGI)

Selle aja jooksul toimub palju kosmilisi sündmusi: kõige varasemad ebastabiilsed isotoobid lagunevad radioaktiivselt; mateeria muutub energeetiliselt tähtsamaks kui kiirgus; kui struktuuri seemned hakkavad kasvama, hakkab gravitatsioon aine kokku tõmbuma. Kuna footonid muutuvad üha enam punaseks, ilmub neutraalsete aatomite jaoks veel üks tõke: footonid, mis eralduvad elektronide esmakordsel sidumisel prootonitega. Iga kord, kui elektron seob aatomituumaga edukalt, teeb see kahte asja:

  1. See kiirgab ultraviolettvalgust, sest aatomi siirded kaskaadi energiataset alati ennustavad.
  2. Seda pommitavad teised osakesed, sealhulgas miljard või nii-öelda footonid, mis eksisteerivad kõigi Universumi elektronide jaoks.

Iga kord, kui moodustate stabiilse, neutraalse aatomi, kiirgab see ultraviolettvalgust. Seejärel jätkuvad need footonid sirgjooneliselt, kuni nad satuvad teise neutraalsesse aatomisse, mille nad siis ioniseerivad.

Kui vabad elektronid rekombineeruvad vesiniku tuumadega, kaskaadivad elektronid energiatasemeid allapoole, eraldades footoneid. Stabiilsete, neutraalsete aatomite moodustamiseks varases universumis peavad nad jõudma põhiseisundisse, tootmata ultraviolettvalgust, mis võib potentsiaalselt ioniseerida teist identset aatomit. (BRIGHTERORANGE & ENOCH LAU / WIKIMDIA COMMONS)

Selle mehhanismi kaudu pole neutraalseid aatomeid lisatud ja seega ei saa Universum ainuüksi selle raja kaudu valguse jaoks läbipaistvaks muutuda. Selle asemel on veel üks efekt, mis domineerib. See on äärmiselt haruldane, kuid arvestades kõiki Universumi aatomeid ja enam kui 100 000 aastat, mis kulub aatomite lõplikuks ja stabiilseks neutraalseks muutumiseks, on see uskumatu ja keerukas osa loost.

Enamasti langeb vesinikuaatomis, kus elektron on hõivatud esimeses ergastatud olekus, madalaima energiaga olekusse, kiirgades konkreetse energia ultraviolettvalgust: Lymani alfa-footonit. Kuid umbes 1 kord 100 miljoni ülemineku korral toimub rippumine teistsuguse tee kaudu, kiirgates selle asemel kahte madalama energiaga footonit. Seda nimetatakse kahe footoni lagunemiseks või üleminekuks ja see on peamine põhjus, miks Universum muutub neutraalseks.

Orbiidilt „s” madalama energiaga „s” orbiidile üleminekul saate seda harva teha kahe võrdse energiaga footoni emissiooni kaudu. See kahe footoni üleminek toimub isegi 2s (esimene ergastatud) ja 1s (maa) olekute vahel, umbes üks kord 100 miljonist üleminekust. (R. ROY ET AL. OPTIKA EXPRESS 25 (7): 7960 · APRILL 2017)

Kui eraldate ühte footonit, põrkub see peaaegu alati teise vesinikuaatomiga, põnetades seda ja viies selle taasioniseerumiseni. Kuid kui eraldate kahte footonit, on erakordselt ebatõenäoline, et mõlemad tabavad aatomit samal ajal, mis tähendab, et võrk ühendab veel ühe neutraalse aatomi.

See kahe footoni üleminek, kuigi see on haruldane, on protsess, mille käigus moodustuvad neutraalsed aatomid. See viib meid kuumast, plasmaga täidetud universumist peaaegu sama kuuma õhku, mis on täidetud 100% neutraalsete aatomitega. Ehkki me ütleme, et Universum moodustas need aatomid 380 000 aastat pärast Suurt Pauku, oli see tegelikult aeglane, järkjärguline protsess, mille lõpuleviimiseks kulus mõlemal küljel umbes 100 000 aastat. Kui aatomid on neutraalsed, ei jää Suure Paugu tulel midagi laiali. See on CMB päritolu: kosmilise mikrolaine taust.

Universum, kus elektronid ja prootonid on vabad ja põrkuvad footonitega, muutub neutraalseks, mis on universumi laienedes ja jahtudes footonitele läbipaistev. Siin kuvatakse ioniseeritud plasma (L) enne CMB eraldumist, millele järgneb üleminek neutraalsele universumile (R), mis on footoniteks läbipaistev. Elektronide ja elektronide, samuti elektronide ja footonite vahelist hajumist saab Diraki võrrandi abil hästi kirjeldada, kuid tegelikult esinevad footoni-footoni interaktsioonid ei ole. (AMANDA YOHO)

See tähistab esimest korda, kui Universum muutub valguse suhtes läbipaistvaks. Suurest Paugust järelejäänud footonid, mis on nüüd lainepikkuses ja vähese energiaga, saavad lõpuks vabalt läbi Universumi liikuda. Kui vabad elektronid on kadunud - seotud stabiilseteks, neutraalseteks aatomiteks -, pole footonitel midagi, mis neid peataks ega aeglustaks.

Kuid neutraalseid aatomeid on nüüd kõikjal ja need teenivad salakavalat eesmärki. Ehkki need võivad muuta Universumi nende madala energiatarbimisega footonite jaoks läbipaistvaks, kogunevad need aatomid kokku molekulaarpilvedeks, tolmuks ja gaasikogumiteks. Nendes koosseisudes olevad neutraalsed aatomid võivad olla läbipaistvad vähese energiatarbega valgusele, kuid suurema energiaga valgus, nagu näiteks tähtede kiirgav valgus, neelab need.

Näide esimestest tähtedest, mis universumis sisse lülituvad. Ilma metallideta tähtede jahutamiseks võivad tähtedest muutuda ainult suurimad pilved suurema massipilve sees. Kuni gravitatsiooni mõjutamiseks on piisavalt aega kulunud, saavad ainult väikesed skaalad varakult struktuuri moodustada ja tähed ise näevad oma valgust, mis ei suuda tungida läbi läbipaistmatu Universumi väga kaugele. (NASA)

Kui kõik Universumi aatomid on nüüd neutraalsed, teevad nad hämmastavalt head tööd tähevalguse blokeerimiseks. Sama kauaoodatud konfiguratsioon, mida me Universumi läbipaistvaks muutmiseks vajasime, muudab selle jälle läbipaistmatuks erineva lainepikkusega footonitele: tähtede tekitatavale ultraviolett-, optilisele ja lähi-infrapunavalgusele.

Universumi muutmiseks selle teist tüüpi valguse jaoks läbipaistvaks, peame need kõik uuesti ioniseerima. See tähendab, et meil on vaja piisavalt suure energiatarbega valgust, et elektronid nendest aatomitest välja lüüa, milleks nad on seotud, mis nõuab intensiivset ultraviolettkiirguse allikat.

Teisisõnu, Universum peab moodustama piisavalt tähti, et aatomites edukalt reioniseerida, muutes õhukese tihedusega madala tihedusega galaktikakeskkonna tähevalguseks läbipaistvaks.

See nelja paneeli vaade näitab Linnutee keskmist piirkonda neljas erinevas valguse lainepikkuses, pikema (submillimeetri) lainepikkusega ülaosas, läbides kauge ja lähi-infrapuna (2. ja 3.) ning lõppedes nähtava valguse vaatega Linnutee. Pange tähele, et tolmurajad ja esiplaanil olevad tähed varjavad keskpunkti nähtava valguse käes, kuid mitte nii palju infrapunakiirguses. (ESO / ATLASGAL-KONSORTIUM / NASA / GLIMPSE-KONSORTIUM / VVV-UURING / ESA / PLANCK / D. MINNITI / S. JUHATUSE TUNNUSTAMINE: IGNACIO TOLEDO, MARTIN KORNMESSER)

Me näeme seda isegi meie enda galaktikas: galaktilist keskpunkti ei saa nähtava valguse käes näha. Galaktikatasapinnas on palju neutraalset tolmu ja gaasi, mis on eriti edukas kõrgema energiaga ultraviolett- ja nähtava valguse blokeerimisel, kuid infrapunavalgus läheb selgelt läbi. See seletab, miks kosmilised mikrolainete taust ei imendu neutraalsetesse aatomitesse, vaid tähevalgus.

Õnneks võivad meie moodustatud tähed olla massiivsed ja kuumad, kus kõige massiivsemad on palju heledamad ja palavamad kui isegi meie Päike. Varased tähed võivad olla kümneid, sadu või isegi tuhat korda massiivsemad kui meie oma Päike, mis tähendab, et need võivad jõuda kümnete tuhandete kraadide temperatuurini ja heleduseni, mis on miljon korda korda heledam kui meie Päike. Need behemotid on suurim oht ​​kogu universumis levinud neutraalsetele aatomitele.

Universumi esimesed tähed on ümbritsetud (enamasti) vesiniku neutraalsete aatomitega, mis neelab tähevalgust. Vesinik muudab Universumi läbipaistmatuks nähtavale, ultraviolettkiirgusele ja suur osa infrapunavalgust, kuid pika lainepikkusega valgus, näiteks raadiovalgus, võib takistusteta edasi liikuda. (NICOLE RAGER FULLER / RIIKLIK TEADUSFOND)

Peame juhtuma, et moodustuks piisavalt tähti, et nad saaksid Universumi üle ujutada piisava arvu ultraviolett footonitega. Kui nad suudavad seda neutraalset ainet piisavalt ioniseerida, täites galaktika vahelist keskkonda, saavad nad suunata tähtvalguse takistusteta liikumiseks kõikides suundades. Pealegi peab ilmnema piisav kogus, et ioniseeritud prootonid ja elektronid ei saaks taas kokku. Universumi reioniseerimiseks ei ole ruumi Rossi ja Racheli stiilis shananiganidele.

Esimesed tähed teevad selles väikese mõlgi, kuid kõige varasemad tähetükid on väikesed ja lühiajalised. Meie Universumi esimese paarisaja miljoni aasta jooksul suudavad kõik moodustuvad tähed vaevu mõlgutada, kui suur osa Universumi ainest jääb neutraalseks. Kuid see hakkab muutuma, kui täheparved sulanduvad, moodustades esimesed galaktikad.

CR7, esimese tuvastatud galaktika illustratsioon, mida arvatakse majutavat III populatsiooni tähed: esimesed tähed, mis kunagi universumis moodustusid. JWST paljastab selle galaktika tegelikud kujutised ja teised, kellele see meeldib, ning suudab neid objekte mõõta ka siis, kui reioniseerimine pole veel lõpule jõudnud. (ESO / M. KORNMESSER)

Kui suured gaasi-, tähe- ja muu aine tükid sulanduvad, vallandavad need tähekeste tohutu purunemise, valgustades Universumit nagu kunagi varem. Aja möödudes toimub korraga mitu nähtust:

  • piirkonnad, kus on kõige suurem ainesekogus, meelitavad nende poole veelgi varasemaid tähti ja täheparve,
  • piirkonnad, mis pole veel tähti moodustanud, võivad alata,
  • ja piirkonnad, kus esimesed galaktikad tehakse, meelitavad teisi noori galaktikaid,

kõik see suurendab üldist tähtede moodustumise kiirust.

Kui me praegu kaardistaksime Universumi, siis näeksime, et tähtede moodustumise kiirus kasvab Universumi olemasolu esimese paari miljardi aasta jooksul suhteliselt konstantse kiirusega. Mõnes soodsas piirkonnas ioniseerub piisavalt palju ainet piisavalt varakult, et saaksime näha universumit läbi enne, kui enamus piirkondi on reioniseeritud; teistes võib viimase neutraalse aine puhkemine võtta kaks või kolm miljardit aastat.

Kui kaardistaksite Universumi neutraalse aine juba Suure Paugu algusest peale, siis leiaksite, et see hakkab klompidena üle minema ioniseeritud ainele, kuid leiate ka, et enamasti kadus sadu miljoneid aastaid. See toimib ebaühtlaselt ja eelistatavalt kosmilise veebi kõige tihedamate osade asukohtades.

Universumi ajaloo skemaatiline diagramm, rõhutades reioniseerimist. Enne tähtede või galaktikate moodustumist oli Universum täis valgust blokeerivaid neutraalseid aatomeid. Ehkki enamikku universumist hakatakse reioniseerima alles 550 miljonit aastat pärast seda, saavutavad mõned piirkonnad täieliku reioniseerimise varem ja teised mitte hiljem. Esimesed suured reioniseerimislained algavad umbes 250 miljoni aasta vanuselt, samal ajal kui mõned õnnelikud tähed võivad moodustada vaid 50–100 miljonit aastat pärast Suurt Pauku. Õigete tööriistade abil, nagu näiteks James Webbi kosmoseteleskoop, võime hakata ilmutama varasemaid galaktikaid. (S. G. DJORGOVSKI ET AL., CALTECH DIGITAL MEDIA KESKUS)

Keskmiselt kulub Suure Paugu algusest 550 miljonit aastat, et Universum muutuks reioniseeritud ja tähevalguses läbipaistvaks. Seda näeme ultra-kaugete kvaasarite vaatlemisel, millel on jätkuvalt neeldumisomadused, mida põhjustab ainult neutraalne, sekkuv aine. Kuid reioniseerimine ei toimu kõikjal korraga; see jõuab valmimiseni erinevatel aegadel, eri suundades ja erinevates kohtades. Universum on ebaühtlane, nagu ka selle sees olevad tähed ja galaktikad ning aine tükid.

Universum muutus läbipaistvaks suurest paugust järele jäänud valguse jaoks, kui see oli umbes 380 000 aastat vana, ja püsis seejärel läbipaistvana pika lainepikkusega valguses. Kuid alles siis, kui universum jõudis umbes poole miljardi aasta vanuseni, muutus tähtvalgus täielikult läbipaistvaks, mõnes asukohas oli läbipaistvus juba varem ja teistes hiljem.

Nendest piiridest kaugemale sondeerimiseks on vaja pikema ja pikema lainepikkusega teleskoopi. Mis tahes õnne korral avab James Webbi kosmoseteleskoop silmad lõpuks universumile, nagu see oli vahepealsel ajal, kus see on läbipaistev Suure Paugu hõõgumisele, kuid mitte tähevalgusele. Kui see Universumi silmad avab, võime lõpuks teada saada, kuidas Universum nende halvasti mõistetavate pimedate ajastute ajal üles kasvas.

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".