Kiedy wszystko we wszechświecie się zmieniło

Przez miliony lat po Wielkim Wybuchu , po tym jak cząsteczkowa zupa wszechświata ostygła, kosmos był ciemnym, ponurym miejscem. Nie było gwiazd, które mogłyby dawać światło. Ani wirujących galaktyk. Nawet nie planety. A cały wszechświat był otoczony neutralnym gazem wodorowym .

Potem, być może 100 milionów lat później, wszystko zaczęło się zmieniać. W ciągu następnych miliardów lat wszechświat zmienił się z nudnego i mało imponującego krajobrazu w bogaty i dynamiczny. Ta głęboka zmiana rozpoczęła się, gdy zabłysły pierwsze gwiazdy. W miarę jak płonęły, wytwarzając ciepło i tworząc nową materię, ich intensywne światło zaczęło rozrywać wodór wypełniający wszechświat. Wszędzie atomy te utraciły elektrony, w wyniku czego większość wodoru — najpowszechniejszego pierwiastka we wszechświecie — pozostała w stanie zjonizowanym, w jakim występuje do dziś.

Ten przełomowy okres, w którym cały wodór przeszedł z jednej formy do drugiej, nazywany jest epoką rejonizacji. Rozpoczęło się od kosmicznego świtu i ustąpiło miejsca erze nowożytnej ze wszystkimi jej wspaniałymi fakturami i cechami. Stanowi tło dla rozwoju wszechświata.

„To ostatnia duża zmiana, jaka zaszła w naszym wszechświecie” – mówi astrofizyk teoretyczny Julián Muñoz z University of Texas w Austin (USA). Wszystko zmieniło się w ciągu tych miliardów lat, a niewiele zmieniło się w ciągu miliardów lat, które minęły od tamtego czasu.

Choć istnieją modele opisujące, w jaki sposób mogła nastąpić ta wielka przemiana, wciąż istnieją znaczne luki w tej kwestii. Kiedy powstały pierwsze gwiazdy i kiedy światło uciekające z galaktyk macierzystych zapoczątkowało rejonizację? Jakie typy galaktyk były za to najbardziej odpowiedzialne i jaką rolę odegrały czarne dziury? W jaki sposób dokonała się rejonizacja w czasie i przestrzeni? Jakie wskazówki może dać w kwestii innych tajemnic kosmosu, np. natury ciemnej materii?

„Nie rozumiemy, w jaki sposób wszechświat stał się tym, czym jest dzisiaj” – mówi Muñoz. Niektóre odpowiedzi są już w zasięgu ręki dzięki nowym narzędziom, które pozwalają naukowcom zajrzeć w głąb pierwszego miliarda lat istnienia wszechświata. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), wystrzelony w 2021 r., obserwuje galaktyki, które istniały zaledwie setki milionów lat po Wielkim Wybuchu, i już teraz dostarcza niespodzianek. Jednocześnie radioteleskopy nowej generacji skupiają się nie na galaktykach, lecz na neutralnym wodorze, który kiedyś wypełniał całą przestrzeń kosmiczną. Wodór dostarcza wskazówek na temat tego, jak przebiegała epoka rejonizacji i inne cechy kosmosu.

„Narzędzia, których możemy teraz używać do badania tej ery w historii kosmosu, różnią się od wszystkiego, co mieliśmy wcześniej” – mówi astrofizyk Rob Simcoe z Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Światło w obfitości

Nasza obecna wiedza na temat rozwoju wczesnego wszechświata wygląda mniej więcej tak: po Wielkim Wybuchu, który miał miejsce 13,8 miliardów lat temu, kosmos się rozszerzył, a pierwotna zupa cząstek subatomowych ostygła. W pierwszej sekundzie powstały protony i neutrony. W ciągu pierwszych kilku minut połączyły się w jądra atomowe. Około 380 000 lat później jądra te zaczęły wychwytywać elektrony i tworzyć pierwsze atomy. Ten etap, w którym zjonizowana zupa przekształciła się w atomy neutralne, nazywany jest rekombinacją (nazwa ta jest błędna, ponieważ jądra i elektrony nigdy wcześniej się nie połączyły).

Dopóki nie zostaną uwięzione w atomach, wolne elektrony rozpraszają światło niczym gęsta mgła w reflektorach samochodowych. Gdyby jednak elektrony były kontrolowane, fotony mogłyby być wystrzeliwane w kosmos. Obecnie te lekkie cząstki docierają do nas w postaci słabego światła, znanego jako mikrofalowe promieniowanie tła.

Następnie wszechświat wkroczył w okres znany jako Wieki Ciemne. Ponieważ w kosmosie znajdowały się wodór i pewna ilość helu, nie było niczego, co mogłoby wytwarzać światło. Jednak kontrolę przejęły bąble ciemnej materii, które przyciągnęły otaczający gaz, a część gazu uległa wystarczającej kondensacji, aby zainicjować syntezę jądrową. Sto milionów lat lub więcej po Wielkim Wybuchu, w naszym kosmicznym świcie zapłonęły pierwsze gwiazdy. W miarę jak te wczesne gwiazdy płonęły, ich jonizujące światło ultrafioletowe zaczęło uciekać z galaktyk. W ten sposób powstały bąbelki zjonizowanego wodoru, które rosły, aż połączyły się, wypełniając ostatecznie kosmos.

Teleskop JWST jest gotowy odpowiedzieć na wiele pytań dotyczących najwcześniejszych galaktyk i tego, w jaki sposób ich światło napędzało proces rejonizacji. Na razie jednak teleskop budzi więcej pytań niż daje odpowiedzi. Na początku istniało o wiele więcej galaktyk, niż sądzili naukowcy, a galaktyki te wytwarzały o wiele więcej światła, niż było potrzebne do rejonizacji wszechświata.

Pierwsze obrazy opublikowane przez teleskop przedstawiały galaktyki, które powstały mniej niż 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Następnie, pod koniec 2022 roku, potwierdzono istnienie najstarszej jak dotąd galaktyki: istniała zaledwie 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu . Rekord ten został pobity przez astrofizyka Branta Robertsona z University of California w Santa Cruz i jego współpracowników, gdy ogłosili oni istnienie galaktyki, której historia liczy sobie 290 milionów lat, licząc od Wielkiego Wybuchu .

Wiele z tych galaktyk jest jaśniejszych i masywniejszych, niż oczekiwano: w 2023 roku sześć galaktyk, których wiek szacuje się na 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu, trafiło na pierwsze strony gazet ze względu na ich dojrzałość. Pomimo wczesnego wieku ich istnienia, masy gwiazdowe tych gwiazd dorównują masie obecnej Drogi Mlecznej, w której masa gwiazd wynosi 60 miliardów mas Słońca.

Standardowa teoria nie jest w stanie wyjaśnić tak szybkiego powstawania gwiazd, dlatego też galaktyki te nazwano „niszczycielami wszechświata”. „To absolutne szaleństwo” – mówi astrofizyk Erica Nelson z University of Colorado w Boulder i współautorka badania. „Oznacza to, że wczesny wszechświat był albo bardziej chaotyczny i destrukcyjny, niż myśleliśmy, albo wszechświat, w którym rzeczy mogły ewoluować szybciej”.

Odkrycia te mogą wymusić ponowne zbadanie ewolucji galaktyk . I podnoszą ważne pytania dotyczące rejonizacji. Nawet najsłabsze pierwotne galaktyki wykryte przez JWST produkują dużą ilość rejonizującego światła, cztery razy większą niż oczekiwano , jak odkryli astrofizyk Hakim Atek z Paryskiego Instytutu Astrofizyki i jego współpracownicy. Pomimo ich niskiej jasności, jest ich wystarczająco dużo, aby niemal samodzielnie zrejonizować wszechświat.

Teleskop JWST odkrywa również dowody na to, że supermasywne czarne dziury powstały znacznie wcześniej w historii kosmosu, niż dotychczas sądzono; Wysokoenergetyczne emisje, które generują, gdy pochłaniają otaczającą materię, również mogły przyczynić się do rejonizacji.

Biorąc pod uwagę całe to światło, wszechświat powinien ulec rejonizacji wcześniej, niż nam się wydaje – sugerują Muñoz i współpracownicy w artykule z 2024 r. zatytułowanym Reionizacja po JWST: Kryzys budżetu fotonów?

Według Muñoza, to nie jest prawdziwy kryzys. Dotychczasowe badania wykazały, że rejonizacja zakończyła się 1,1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Jednak pozorna nadmiarowość światła rejonizującego jest wyraźnym znakiem, że w naszym obrazie wczesnego wszechświata czegoś brakuje. „Nie znamy wszystkich elementów układanki” – mówi.

Poszukiwanie wskazówek w wodorze

Inne wysiłki mają na celu śledzenie rejonizacji za pomocą najnowocześniejszych radioteleskopów w celu sprawdzenia, jak dużo neutralnego wodoru istniało na przestrzeni dziejów we wczesnym wszechświecie. Naukowcy badali ten wodór również innymi sposobami. Na przykład rozpraszanie światła pochodzącego z mikrofalowego promieniowania tła pozwala określić całkowitą skalę rejonizacji, jaka nastąpiła od momentu wyemitowania tego światła, około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.

Kolejną wskazówkę dostarczają kwazary, czyli jasne sygnały promieniowania wytwarzane przez masywne czarne dziury. Neutralny wodór pochłania określone długości fal światła z kwazarów w drodze do obserwatora, dając sygnał obecności wodoru. Ale im bliżej wcześniejszych czasów, tym mniej kwazarów.

Naukowcy starają się teraz wykryć sygnał radiowy pochodzący z neutralnego wodoru, zanim uległ jonizacji, sięgający początków kosmosu, a nawet wieków ciemnych. Sygnał ten, znany jako linia 21-centymetrowa, wykrywany jest od lat 50. XX wieku i powszechnie wykorzystywany w astronomii, ale nie udało się go ostatecznie zlokalizować od początków istnienia wszechświata.

Sygnał radiowy powstaje w wyniku przejścia kwantowego elektronu neutralnego wodoru. Przejście, podczas którego emitowana jest niewielka ilość promieniowania elektromagnetycznego o długości fali 21 centymetrów, nie zdarza się często. Natomiast gdy neutralny wodór występuje w dużych ilościach, możliwe jest jego wykrycie.

Sygnał może zrobić więcej niż tylko śledzić położenie neutralnego wodoru. Pełni również funkcję pewnego rodzaju termometru. Naukowcy mogą wykorzystać ją do lepszego zrozumienia kwestii temperatury w kosmosie, w tym do uzyskania wskazówek dotyczących tego, kiedy energia jest wstrzykiwana do ośrodka międzygalaktycznego w postaci światła lub ciepła.

Tego rodzaju eksplozje energii mogą pochodzić z pierwszych gwiazd i czarnych dziur, które je zasilają. Albo energia może wskazywać na coś bardziej egzotycznego: oddziaływania między ciemną materią a nią samą lub nieznane oddziaływania między ciemną materią a materią bardziej znaną. Muñoz zauważa, że ​​takie oddziaływania mogą podgrzewać lub chłodzić ośrodek międzygalaktyczny. Linia o szerokości 21 cm pozwala na badanie zachodzących w niej procesów, w tym również tych stymulowanych przez nieoczekiwane zjawiska fizyczne. „Może dostarczyć informacji, których inaczej nie mógłbyś uzyskać” – mówi.

Jednym z teleskopów poszukujących tego odcisku palca jest Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA). Podczas gdy JWST jest znany ze swojej złożoności i kosztów, HERA jest prostsza. Jak wyjaśnia astrofizyk Josh Dillon z University of California w Berkeley, „jest on wykonany z rur PCV, siatki drucianej i słupów telefonicznych”.

HERA składa się z 350 anten radiowych rozmieszczonych na obszarze 5% kilometra kwadratowego prowincji Przylądek Północny w Południowej Afryce. Choć sam teleskop nie jest zbyt zaawansowany technologicznie, obserwacje za jego pomocą wymagają najbardziej zaawansowanego przetwarzania sygnałów i analizy danych, jakie są dostępne. Dzieje się tak, ponieważ sygnał, z natury słaby, musi zostać wykryty wśród szumu radiowego naszej i innych galaktyk.

Dillon porównuje wykrywanie sygnału o długości 21 centymetrów do słuchania tonów wysokich na koncercie, podczas gdy tony niskie są 100 000 razy głośniejsze. „Dlatego jeszcze tego nie zrobiono” – mówi.

HERA ma na celu statystyczny pomiar fluktuacji przestrzennych sygnału 21-centymetrowego. Wahania te są spowodowane zmianami w rozmieszczeniu neutralnego wodoru w kosmosie i dlatego pozwalają nam zrozumieć, w jaki sposób rozłożone są gaz, gwiazdy i galaktyki. Inne zespoły mają jednak na celu przeprowadzenie globalnych pomiarów, które obejmą uśredniony sygnał w całym kosmosie. Ponieważ techniki te się różnią, jedna może służyć weryfikacji drugiej.

Ciemną materię przywoływano już jako wyjaśnienie jednego rzekomego odkrycia . W 2018 roku naukowcy biorący udział w eksperymencie EDGES (Experiment to Detect the Signature of the Epoch of Global Reionization) poinformowali o wykryciu sygnału o średniej wielkości 21 centymetrów odpowiadającego momentowi, w którym światło pierwszych gwiazd zaczęło oddziaływać z otaczającym je wodorem.

Sygnał jest silniejszy niż oczekiwano, co sugeruje obecność chłodniejszego niż oczekiwano wodoru, co wywołało powszechny sceptycyzm wobec tego twierdzenia . Niektórzy badacze jako możliwe wyjaśnienie wskazują interakcje między gazem wodorowym a ciemną materią, ale takie wyjaśnienie wymagałoby nieoczekiwanych zjawisk fizycznych.

„Istnieje wiele fantastycznych teorii” – mówi Sarah Bosman, kosmolog obserwacyjny z Uniwersytetu w Heidelbergu w Niemczech. „Muszą być fantazyjne” – zauważa, ponieważ żadna zwykła fizyka nie wytworzyłaby siły, jaką zaobserwował EDGES.

Bosman przyznaje, że należy do nielicznych osób entuzjastycznie nastawionych do tego twierdzenia, co, jak twierdzi, zmotywowało naukowców do przeprowadzenia innych eksperymentów, które mogłyby je potwierdzić lub obalić. „To dało tej dziedzinie ogromny impuls” – mówi.

HERA i inne teleskopy są prekursorami Square Kilometer Array, który będzie próbował zmapować 21-centymetrowy sygnał na całym niebie. Sieć ta połączy anteny radiowe w Republice Południowej Afryki i Australii, tworząc największy radioteleskop, jaki kiedykolwiek zbudowano. Mimo że budowa teleskopu wciąż trwa, udało się już połączyć dwie stacje, co umożliwi zebranie pierwszych danych w 2024 roku.

Lepsze narzędzia, głębsze spostrzeżenia

Jak zauważa Bosman, nikt tak naprawdę nie wie, czego można się spodziewać po sygnale nadawanym w paśmie 21 centymetrów. Być może będzie wymagało jedynie drobnych korekt obecnego obrazu ewolucji kosmicznej, albo uda się odkryć nową fizykę, która całkowicie zmieni nasze pojmowanie. Jeszcze za wcześnie, żeby to stwierdzić.

Dillon twierdzi jednak, że linia o długości 21 centymetrów mogłaby pewnego dnia zapewnić „największy możliwy zbiór danych”. Ostatecznym celem jest zbadanie przedziału czasowego od około 100 milionów lat po Wielkim Wybuchu do miliarda lat później. Ten okres stanowi mniej niż 10% całkowitego czasu istnienia wszechświata, lecz ze względu na ciągłą ekspansję wszechświata, obejmuje on w przybliżeniu połowę objętości widzialnego wszechświata.

Przyszłe instrumenty pomogą nam cofnąć się w czasie. Istnieje kilka propozycji budowy nowych radioteleskopów w kosmosie, a nawet na Księżycu, gdzie nie byłyby one narażone na zakłócenia ze strony Ziemi. Jak zauważa Anastasia Fialkov, kosmolog i astrofizyk z Instytutu Astronomii w Cambridge w Anglii, najstarszy sygnał o długości 21 centymetrów dotarłby do nas na długościach fal odbijanych przez ziemską jonosferę. Teleskopy kosmiczne i księżycowe mogłyby rozwiązać ten problem.

Wszelkie ślady o wielkości 21 centymetrów byłyby badane wraz z obserwacjami najwcześniejszych galaktyk wykonanymi przez teleskop JWST, a także z obserwacjami z jego następcy, teleskopu kosmicznego Nancy Grace Roman Space Telescope, a także z przyszłych obserwatoriów naziemnych, takich jak Ekstremalnie Duży Teleskop, europejska inicjatywa obecnie budowana w Chile.

Artykuł przetłumaczony przez Debbie Ponchner .

Niniejszy artykuł pierwotnie ukazał się na stronie Knowable en español , publikacji non-profit, której celem jest udostępnienie wiedzy naukowej wszystkim.