Чому ми бачимо так мало зірок на небі?

Чому одного «Хай станеться світло!» У Всесвіті недостатньо? «Погляньте на красу життя. Погляньте на зірки і побачите, як самі біжите з ними », - говорив Марк Аврелій. Уявіть собі нічне небо. Далеко від міст, в безмісячну ніч, в найтемніших місцях, в яких ви коли-небудь бували. Може бути, ви лягали на траву і дивилися в небо. Повітря прохолодний, небо чисте, ніяких хмар, і ви дивитеся вгору.

Що ви бачите?

Там планети, яскраві і тьмяні зірки, і навіть Чумацький Шлях, який можна побачити периферичним зором, якщо дивитися трохи в сторону. Але найцікавіше в нічному небі не присутній цих небагатьох тьмяних вогників, а скоріше той факт, що практично в будь-якій точці, в яку ви дивитеся, небо само по собі темне.

Якщо ви подумаєте про це хвилинку, то це здасться дивним. Якщо Всесвіт насправді сповнена зірок - точок світла у всіх напрямках - то ви б в повній мірі розраховували, що куди не кинь оком, врешті-решт ваша лінія погляду потрапить на зірку.

І як тільки це станеться, ви більше не будете бачити «темряву» на небі. Кожна точка наповниться світлом, незалежно від того, як далеко знаходиться зірка, галактика або інша точка світла.

Це один з найбільших парадоксів 19 століття: фотометричний парадокс, або парадокс Ольберса, який показав, що ідея нескінченного Всесвіту, наповненою безліччю зірок, несумісна з темним нічним небом, яке ми всі можемо спостерігати.

Дозвіл цього парадоксу, звичайно, полягає в тому, що коли ми дивимося на далеку Всесвіт, ми дивимося назад в часі, і коли Всесвіт існував в гарячому, щільному, більш однорідному стані, був час, коли не було ніяких зірок. Якщо дивитися далі певної точки, ви ніколи не побачите жодної зірки.

Після Великого Вибуху Всесвіт була гарячої, щільною й однорідною, але також розширювалася і остигала. На той час, як їй стукнуло 380 000 років, вона охолола достатньо, щоб утворити нейтральні атоми в перший раз. Але є дві перешкоди, які дозволяють нам щось побачити:

1. Поки немає нічого, що випромінює світло, дивитися нема на що.

2. 
   
   
   
   

   Всесвіту потрібно бути прозорою.

Хоча ці дві проблеми - утворення перших зірок і прозорість Всесвіту - нерідко об`єднуються як «темні століття», вони залишаються двома окремими проблемами, які потрібно вирішити.

По-перше, вам нема на що буде дивитися, поки ви не сформуєте перші зірки. У ті часи, коли Всесвіт початку майже з ідеальною однорідної форми, виникли крихітні недосконалості, деякі області почали з великою кількістю матерії, ніж інші. Згодом гравітація стягувала в ці занадто щільні регіони більше і більше речовини, тим самим вирощуючи в них згустки матерії.

Потрібні були десятки мільйонів років, але коли пройшло достатньо часу, ці згустки виросли досить великими, щоб гравітація привела до їх колапсу. І коли ядра цих згустків атомів і молекул стали досить щільними, почався процес термоядерного синтезу - спалювання водневого палива в гелій.

Ці місця термоядерного синтезу стали ядрами перших зірок у Всесвіті, гарячих і яскравих, і випромінюючих перший видиме світло у Всесвіті з моменту перших стадій гарячого Великого Вибуху. Це сталося через 50 мільйонів років від початку історії Всесвіту, і це досить короткий час для перших зірок.

Проблема в тому, що ми не бачимо ні одну з цих зірок.

Ми знаємо, що зірки випромінюють світло, але точно так само його випромінюють зірки «темної туманності» Barnard 68. Ця туманність виявляється темною, оскільки атоми і молекули в туманності фізично поглинають видиме - і, отже, є непрозорими.

Хоча поодинокі атоми мають тільки певними атомними переходами, які можуть поглинати світло, коли вони пов`язані один з одним усіма видами складних конфігурацій, вони можуть блокувати весь спектр видимого світла. Цей тип непрозорості утворився, коли з`явилися перші зірки: Всесвіт, може бути, і породила світло, але він не знайшов шляху до наших очей.

Що нам з цим робити?

Потрібно іонізувати ці атоми? Або, якщо точніше, реіонізіровать, оскільки вони вже одного разу були іонізовані: ще перед тим, як стали нейтральними.

Правда, цей процес займе багато часу і участі мільярдів зірок, які утворюються, випустять ультрафіолетове іонізуюче випромінювання і потраплять по більш 99% нейтральних атомів Всесвіту. Це поступовий процес, але на його завершення буде потрібно 550 мільйонів років.

До недавнього часу ми думали, що реіонізаціі - ця остання фаза Всесвіту, яка зробить її прозорою для видимого світла - сталася 450 мільйонів років після Великого Вибуху, але додатковий фактор у вигляді 100 мільйонів років було визначено останніми спостереженнями супутника Планка.

Це, в свою чергу, не означає, що найстаріші зірки Всесвіту утворилися через 100 мільйонів років, ніж ми припускали раніше. Це означає, що перші зірки утворилися набагато, набагато раніше, ніж ми можемо спостерігати, і у нас утворилося недостатньо зірок - і вони прожили недостатньо довго - щоб реіонізіровать Всесвіт і зробити її прозорою для світла. У Всесвіті просто недостатньо було сказати «так буде світло!», Щоб побачити перші зірки: це світло повинен бути в змозі вільно проходити через космос.

Немає ніякого способу побачити їх у видимому спектрі, незалежно від того, наскільки хороший космічний телескоп Хаббл, незалежно від того, як довго він дивиться на ці ділянки неба, він ніколи не побачить перші зірки, тому що Всесвіт все ще непрозора для видимого світла .

Але надія є, і космічний телескоп Джеймса Вебба має потенціал втілити цю надію в реальність.

Якщо спостерігати за довгохвильовим світлом, ці пилові будови атомів і молекул цілком можуть бути прозорі для цих довжин хвиль. Хоча Хаббл може ніколи не побачити ці зірки, Джеймс Уебб буде вдивлятися в інфрачервоні (і досить довгі) хвилі і зможе відстежити їх шлях до тих епох, коли Всесвіт був прозора для видимого світла.

Іншими словами, всього через кілька років ми зможемо по-справжньому досліджувати перші зірки Всесвіту. Можливо, вони невидимі для нас, але це вина наших очей, а не світла.