Laikotarpis prieš susiformuojant žvaigždėms, kai materija ėmė gravitaciškai telktis tankesnėse srityse
Po rekombinacijos epochos — kai Visata tapo skaidri spinduliuotei ir atsirado kosminis mikrobangų fonas (KMF) — atėjo ilgas laikotarpis, vadinamas Tamsiaisiais amžiais. Tuo metu dar nebuvo jokių šviečiančių šaltinių (žvaigždžių ar kvazarų), tad Visata iš tiesų buvo tamsi. Visgi, nors matomos šviesos nebuvo, vyko svarbūs procesai: materija (daugiausia vandenilis, helis ir tamsioji materija) ėmė gravitaciškai telktis, sukuriančią pagrindą pirmajam žvaigždžių, galaktikų ir stambiųjų struktūrų formavimuisi.
Šiame straipsnyje aptarsime:
- Tamsiųjų amžių apibrėžimą
- Visatos vėsimą po rekombinacijos
- Tankio fluktuacijų augimą
- Tamsiosios materijos vaidmenį struktūrų formavime
- Kosminę aušrą: pirmųjų žvaigždžių atsiradimą
- Stebėjimo iššūkius ir metodus
- Reikšmę šiuolaikinei kosmologijai
1. Tamsiųjų amžių apibrėžimas
- Laiko riba: Maždaug nuo 380 tūkst. metų po Didžiojo sprogimo (rekombinacijos pabaigos) iki pirmųjų žvaigždžių susidarymo, kuris prasidėjo maždaug po 100–200 milijonų metų.
- Neutrali Visata: Po rekombinacijos beveik visi protonai ir elektronai susijungė į neutralius atomus (daugiausia vandenilį).
- Nėra reikšmingų šviesos šaltinių: Nesant žvaigždžių ar kvazarų, nebuvo ryškių spinduliuotės šaltinių, todėl Visata beveik „nematoma“ daugelyje elektromagnetinio spektro diapazonų.
Tamsiųjų amžių laikotarpiu kosminio mikrobangų fono fotonai toliau laisvai sklido ir vėso Visatai plečiantis. Tačiau šie fotonai nuslinko į mikrobangų sritį, teikdami tik menką apšvietimą tuo metu.
2. Visatos vėsimas po rekombinacijos
2.1 Temperatūros kaita
Po rekombinacijos (kai temperatūra siekė apie 3 tūkst. K) Visata toliau plėtėsi, jos temperatūra krito. Tamsiųjų amžių pradžioje foninių fotonų temperatūra siekė kelias dešimtis ar šimtus kelvinų. Dominavo neutralus vandenilis, o helis sudarė mažesnę dalį (~24 % masės).
2.2 Jonizacijos dalis
Nedidelė dalis elektronų visgi liko jonizuota (maždaug viena dalis iš 10 tūkst. ar dar mažiau) dėl įvairių likutinių procesų ir menko karštos dujos kiekio. Ši nedidelė jonizacijos dalis turėjo tam tikrą įtaką energijos mainams ir chemijai, tačiau bendrai Visata buvo daugiausia neutrali — labai besiskirianti nuo ankstesnės jonizuotos plazmos būsenos.
3. Tankio fluktuacijų augimas
3.1 Užuomazgos iš ankstyvosios Visatos
Nedideli tankio sutrikimai, matomi KMF kaip temperatūros anizotropijos, buvo suformuoti kvantinių fluktuacijų ankstyvuoju laikotarpiu (pavyzdžiui, infliacijos metu, jei tas scenarijus teisingas). Po rekombinacijos šie sutrikimai reiškė menkus materijos perteklius ar trūkumus.
3.2 Materijos viešpatavimas ir gravitacinis kolapsas
Tamsiųjų amžių metu Visata jau buvo materijos valdose — čia lemiamą vaidmenį atliko tamsioji ir barioninė materija, o ne spinduliuotė. Vietovėse, kur tankis buvo truputį didesnis, gravitacinė trauka pamažu kaupė daugiau materijos. Ilgainiui šie perteklių židiniai didėjo, lemiančio:
- Tamsiosios materijos halai: Tamsiosios materijos telkiniai, sudarę gravitacinius šulinius, į kuriuos galėjo kauptis dujos.
- Priešžvaigždiniai debesys: Barioninė (įprasta) materija sekė paskui tamsiosios materijos halus, sudarydama dujų sankaupas.
4. Tamsiosios materijos vaidmuo formuojant struktūras
4.1 Kosminis tinklas
Struktūrų formavimosi simuliacijos rodo, jog tamsioji materija yra lemiama konstruojant kosminį tinklą — gijų struktūrą. Ten, kur didžiausia tamsiosios materijos koncentracija, susirenka ir barioninės dujos, formuodamos pačius ankstyviausius masyvius potencialinius „šulinius“.
4.2 Šaltoji tamsioji materija (ΛCDM)
Šiuolaikinėje teorijoje ΛCDM manoma, kad tamsioji materija yra „šalta“ (ne reliatyvistinė) jau nuo ankstyvųjų laikų, todėl gali efektyviai telktis. Šie tamsiosios materijos halai auga hierarchiškai — iš pradžių formuojasi maži, ilgainiui susijungdami į didesnius. Tamsiųjų amžių pabaigoje daugelis tokių halų jau egzistavo, pasirengę tapti vietomis, kur formuosis pirmosios žvaigždės (III populiacijos žvaigždės).
5. Kosminė aušra: pirmųjų žvaigždžių atsiradimas
5.1 III populiacijos žvaigždės
Galų gale, tankiausiose srityse medžiaga sugriuvo iki pirmųjų žvaigždžių — vadinamųjų III populiacijos žvaigždžių. Šios žvaigždės, sudarytos beveik vien iš vandenilio ir helio (be sunkesnių elementų), veikiausiai buvo gerokai masyvesnės nei šiuolaikinės. Jų užsidegimas žymi Tamsiųjų amžių pabaigą.
5.2 Rejonizacija
Šioms žvaigždėms įžiebus branduolines reakcijas, jos išskyrė gausius ultravioletinius spindulius, kurie ėmė rejonizuoti aplinkinį neutralų vandenilį. Plečiantis žvaigždžių (ir vėlesnių galaktikų) atsiradimui, rejonizacijos zonos didėjo ir susijungė, taip paversdamos tarpgalaktinę terpę iš daugiausia neutralios atgal į dominančią jonizuotą būseną. Ši rejonizacijos epocha tęsėsi ties z ~ 6–10 ir galutinai užbaigė Tamsiuosius amžius, atskleisdama Visatai naują šviesos etapą.
6. Stebėjimo iššūkiai ir metodai
6.1 Kodėl Tamsieji amžiai sunkiai stebimi
- Nėra ryškių šaltinių: Esminė priežastis, kodėl šis laikotarpis vadinamas „tamsiuoju“, yra šviesos objektų stygius.
- KMF poslinkis: Po rekombinacijos likę fotonai vėso ir nuslinko iš matomos srities.
6.2 21 cm kosmologija
Perspektyvus metodas Tamsiesiems amžiams tirti — tai 21 cm hiperfino perėjimas neutraliame vandenilyje. Tamsiaisiais amžiais neutralus vandenilis galėjo sugerti ar spinduliuoti 21 cm bangą, fone turint KMF. Iš esmės, kartografuojant šį signalą skirtingu kosminiu laiku, galima „sluoksniškai“ matyti neutraliosios dujos pasiskirstymą.
- Iššūkiai: 21 cm signalas labai silpnas ir nuskęsta tarp stiprių foninių šaltinių (pvz., mūsų galaktikos).
- Eksperimentai: Tokie projektai kaip LOFAR, MWA, EDGES bei būsimoji Square Kilometre Array (SKA) siekia aptikti ar patikslinti 21 cm linijos stebėjimus iš šio laikotarpio.
6.3 Netiesioginės išvados
Kadangi tiesiogiai aptikti elektromagnetinės spinduliuotės iš Tamsiųjų amžių sudėtinga, mokslininkai daro netiesiogines išvadas per kosmologines simuliacijas ir tiria vėlesniais laikotarpiais stebimas ankstyviausias galaktikas (z ~ 7–10).
7. Reikšmė šiuolaikinei kosmologijai
7.1 Struktūrų formavimosi modelių testavimas
Perėjimas nuo Tamsiųjų amžių prie kosminės aušros — tai puiki galimybė patikrinti, kaip materija sugriuvo formuodama pirmuosius susirišusius objektus. Lyginant stebėjimus (ypač 21 cm signalą) su teoriniais modeliais, galima patikslinti supratimą apie:
- Tamsiosios materijos prigimtį ir jos smulkaus mastelio sankaupų savybes.
- Infliacijos pradines sąlygas ir jų atspindžius KMF duomenyse.
7.2 Pamokos apie kosminę evoliuciją
Tyrinėjant Tamsiuosius amžius, kosmologai papildo vientisą Visatos istorijos aprašą:
- Karštasis Didysis sprogimas ir infliacinės fluktuacijos.
- Rekombinacija ir KMF atsiskyrimas.
- Tamsiųjų amžių gravitacinis kolapsas, vedantis prie pirmųjų žvaigždžių.
- Rejonizacija ir galaktikų susidarymas.
- Galaktikų augimas ir stambiųjų kosminių struktūrų tinklas.
Visi šie etapai susiję, o geriau pažinus vieną, giliau atskleidžiama ir kitų.
Išvada
Tamsieji amžiai – tai reikšmingas Visatos raidos tarpsnis, kuomet nebuvo žvaigždžių šviesos, tačiau vyko aktyvios gravitacinės sankaupos. Būtent tada materija ėmė telktis į pirmuosius susirišusius darinius ir paruošė dirvą galaktikų bei spiečių ištakoms. Nors stebėti šį laikmetį tiesiogiai sunku, jis itin svarbus norint suprasti, kaip Visata perėjo nuo tolygaus materijos pasiskirstymo po rekombinacijos iki išraiškingo struktūrizuoto kosmoso, kurį regime dabar.
Ateities pažanga 21 cm kosmologijoje ir itin jautriose radijo stebėjimo technologijose žada apšviesti šį menkai žinomą „tamsųjį“ laikmetį, parodant, kaip pirminis vandenilis ir helis susitelkė, kad galiausiai sužibėtų pirmieji šviesos blyksniai — kosminė aušra, leidusi susiformuoti nesuskaičiuojamam kiekiui žvaigždžių bei galaktikų.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
- Barkana, R., & Loeb, A. (2001). “In the Beginning: The First Sources of Light and the Reionization of the Universe.” Physics Reports, 349, 125–238.
- Ciardi, B., & Ferrara, A. (2005). “The First Cosmic Structures and their Effects.” Space Science Reviews, 116, 625–705.
- Loeb, A. (2010). How Did the First Stars and Galaxies Form? Princeton University Press.
- Furlanetto, S. R., Oh, S. P., & Briggs, F. H. (2006). “Cosmology at Low Frequencies: The 21 cm Transition and the High-Redshift Universe.” Physics Reports, 433, 181–301.
- Planck Collaboration. https://www.cosmos.esa.int/web/planck
Remiantis šiais tyrimais, Tamsieji amžiai tampa ne tiesiog tuščia pauze, o itin svarbia jungtimi tarp išsamiai nagrinėtos KMF epochos ir ryškios žvaigždžių bei galaktikų Visatos — epochos, kurios paslaptis pradedame atskleisti tik dabar.