Загадки раннього Всесвіту

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Мирослав Кашеба
Аспірант кафедри астрофізики Львівського національного університету

Всесвіт. Уже одним своїм існуванням він ставить нам багато запитань: звідки він з’явився? Чому? Навіщо? Точних відповідей досі ніхто не знає. Проте це не означає, що ніхто не намагається їх знайти. Шукає ці відповіді наука. Найкраще, що ми маємо на сьогодні — це теорія Великого Вибуху. Вона намагається пояснити, як виник наш світ і чому він розвивався саме так, а не інакше. Їй ми надаємо перевагу серед усіх альтернативних теорій. І маємо для цього дві дуже вагомі підстави —  існування реліктового випромінювання та первинний вміст хімічних елементів.

Всесвiт
Чим далі від нас перебуває об’єкт, тим у більш далекому минулому ми його бачимо — аж до так званої «сфери останнього розсіювання», випромінювання від якої йшло до нас понад 13,7 млрд років

Обидві ці властивості Всесвіту були передбачені на базі тоді ще не визнаної теорії Великого Вибуху уродженцем Одеси Георгієм Гамовим, який пізніше емігрував із СРСР до США. Він зробив це спільно зі своїм учнем Ральфом Альфером (Ralph Alpher) у 1948 році. Але перш ніж детальніше викласти сутність їхніх досліджень, варто розпочати зі вступу.

Доволі довго люди вважали: все, що вони бачать і чують — відбувається в той самий момент, коли вони це побачили та почули. Проте все не так просто. З того факту, що грім зазвичай гримить із «запізненням» відносно блискавки, був зроблений цілком правильний висновок про скінченність швидкості звуку, а з появою точних секундомірів її вдалося виміряти. Деякі вчені почали висловлювати подібні думки стосовно світла. Експерименти з визначення його швидкості проводив Галілео Галілей ще у 1607 році. Як істинний експериментатор, він дійшов висновку, що ця швидкість набагато перевищує можливості тодішніх вимірювальних приладів.

У 1671 році данський астроном Оле Рьомер (Ole Rømer) розпочав спостереження за супутниками Юпітера. Він помітив, що тінь від них не завжди падає на планету в момент затемнення, передбачений астрономічними розрахунками: деколи це відбувалося на кілька хвилин раніше або пізніше. Загалом різниця між найбільшим випередженням і запізненням сягала майже 16 хвилин. Це наштовхнуло вченого на думку, що причиною цих зміщень у часі є скінченна швидкість світла.

У 1673-му були вперше встановлені співвідношення між відстанями у космосі та на Землі, що дозволило Рьомеру за два роки провести більш точний експеримент з вимірювання швидкості світла. Згідно з його результатами, ця швидкість світла у «перекладі» на сучасні одиниці вимірювання становила майже 220 тис. км/с.

Оле Рьомер
Спостереження Оле Рьомера

Зараз ми знаємо точне значення швидкості світла у вакуумі, проте відкриття Рьомера дозволило зрозуміти одну просту концепцію: ми бачимо події не в той момент, коли вони відбуваються, а в минулому. Дивлячись на себе у дзеркало, ми бачимо себе минулої миті. Місяць на небі ми бачимо в місці, де він був трохи більше секунди тому, а Сонце — з «запізненням» у середньому майже на 500 секунд. Неважко зрозуміти, що чим далі від нас розташований об’єкт спостережень, тим далі в минуле ми заглядаємо. Власне, на скінченній швидкості світла ґрунтується вивчення раннього Всесвіту.

Найдальше місце, куди ми можемо зазирнути — це так звана сфера останнього розсіювання реліктового випромінювання. Вона відображає той граничний етап, коли Всесвіт уже був достатньо холодним для того, щоб протони та перші атомні ядра рекомбінували з електронами й речовина стала прозорою для електромагнітного випромінювання. Вік цієї події оцінюють приблизно у 380 тис. років після Великого Вибуху. Що було до того часу, ми ніколи не побачимо, проте можемо спостерігати, що сталось опісля, й уже зі спостережень робити висновки про ймовірні причини саме такого розвитку подій.

Але відразу після «звільнення» фотонів реліктового випромінювання з непрозорої плазми, що зрекомбінувала, настала темрява. Період часу між сферою останнього розсіювання та «запалюванням» перших зірок називають «темними віками» — саме через те, що тоді у Всесвіті не було жодного джерела випромінювання. Хоча фотони у великих кількостях мандрували його просторами, вони не могли взаємодіяти з матерією, бо вже були надто холодними для цього, вони не мали достатньо енергії для взаємодії з атомами. Саме цим фотонам судилося весь час рухатися космічним простором і втрачати свою енергію внаслідок космологічного розширення Всесвіту. І лише 1965 року американські вчені Арно Пензіас і Роберт Вільсон (Arno Penzias, Robert Wilson) змогли зареєструвати це випромінювання та виміряти його температуру. За це відкриття їх пізніше нагородили Нобелівською премією.

Арно Пензіас і Роберт Вільсон
Арно Пензіас (праворуч) і Роберт Вільсон — першовідкривачі реліктового випромінювання. Джерело: LIFE magazine

Реліктове випромінювання — перший із вагомих доказів Великого Вибуху. А що з первинним хімічним вмістом? Як його визначити зі спостережень? Найпростіше це зробити з атомами водню. Нейтральні атоми цього елемента в основному стані можуть утворювати спектральну лінію надтонкої структури. Ключовим фактором у її утворенні є взаємна орієнтація спінів (напрямків обертання) електрона та протона. Переорієнтація спіна електрона спричиняє виникнення надтонкого розщеплення та випромінювання електромагнітної хвилі завдовжки 21 см. Оскільки Всесвіт від початку своєї еволюції містив головним чином водень, саме це випромінювання дозволяє нам бачити, що відбувається у його найвіддаленіших закутках у різні епохи. Ми навіть можемо спостерігати, що відбувалося з цим хімічним елементом у «темні віки».

Власне, з наявності випромінювання на хвилі 21 см випливає, що ранній Всесвіт був заповнений нейтральним воднем. Як і реліктове випромінювання, рухаючись у просторі, воно піддавалося червоному зсуву (астрономи позначають його латинською літерою z). Притому в його розподілі на z=16-20, що відповідають приблизному віку Всесвіту 180-250 млн років, спостерігається провал. Це може означати, що атоми водню в той час іонізувались. А причиною їхньої іонізації, найімовірніше, було виникнення високоенергетичного випромінювання, джерелом якого вважаються перші зірки. Цей період назвали епохою реіонізації — кількість високоенергетичних фотонів у Всесвіті стала достатньою для того, щоб іонізувати нейтральний газ.

Експериментальна антена Bell Telephone
Експериментальна конічна антена дослідницької компанії Bell Telephone Laboratories (зараз — Bell Labs), за допомогою якої було відкрите мікрохвильове реліктове випромінювання

У пізніші епохи у спектрах присутнє потужне ультрафіолетове випромінювання, що бере на себе роль ідентифікатора нейтрального водню на своєму шляху під час мандрівки космічним простором. Це відбувається за рахунок того, що атомарний водень може поглинати його в чітко визначених спектральних лініях, які утворюють серії. Найпоширенішою є серія ліній Лаймана, що відповідають переходам електрона з основного у будь-який збуджений стан. Відповідно у спектрі будуть з’являтися лінії поглинання у визначених місцях. Звичайно, і на це випромінювання діє червоний зсув. Внаслідок цього «провали» у спектрі, що відповідають поглинанню воднем, зсунуться у низькоенергетичну (довгохвильову) сторону, а їхнє місце займе «свіжий» спектр із високоенергетичної ділянки. Якщо на шляху цих фотонів зустрінеться нова хмара нейтрального водню, він «відіб’ється» ще однією серією Лаймана. Отже, спектр матиме вигляд «посіченого» багатьма серіями ліній поглинання, які називають «лісом Лайман-α». Власне, це і спостерігають астрономи.

Логічним є наступне запитання: «А як же безпосередні спостереження за першими зірками та галактиками?». Відповідь доволі проста: їх ще ніхто не бачив. Найдальший і відповідно найстаріший із відомих об’єктів — карликова галактика неправильної форми GN-z11, проте її червоний зсув становить z=11,09, що відповідає відстані приблизно 13,4 млрд років (вона існувала вже через 400 млн років після Великого Вибуху). Її вік за яскравою ділянкою в ультрафіолетовому спектрі оцінюють у 40 млн років. Спектроскопічні дослідження також показують, що там відбувається активне зореутворення — впродовж року народжуються зірки сумарною масою приблизно 24 сонячних. Звідси можна зробити висновок, що цей об’єкт має дуже низьку металічність, тобто хімічні елементи, важчі за гелій, там практично відсутні. Інші об’єкти, розташовані дуже далеко від нас (z>7), проявляють подібні властивості: низька металічність і високий темп зореутворення.

Приємною несподіванкою є той факт, що на відносно невеликих відстанях спостерігаються блакитні компактні карликові галактики — об’єкти з дуже низькою металічністю, схожі на ті, що першими виникали після «темних віків». Досліджуючи їх, можна дізнатися багато цікавого про далеке минуле Всесвіту. В Україні дослідженням цих об’єктів займається Юрій Ізотов. Він вивчає зореутворення та хімічний вміст в об’єктах з низькою металічністю. Саме вміст гелію в таких об’єктах, виміряний Ізотовим та іншими вченими, є другим важливим підтвердженням теорії Великого Вибуху. Згідно з розрахунками Гамова й Альфера, після завершення первинного нуклеосинтезу на 12 атомів водню мав припадати один атом гелію (а ще в незначній кількості утворився ізотоп літію з атомною масою 7). Кількісно атоми гелію складають приблизно 8% від усіх частинок, що відповідає масовій частці 25%. Спостереження за низькометалічними об’єктами якраз і дає приблизно таку масову частку гелію. Теоретично це співвідношення пояснюється тим, що, на противагу надзвичайно стабільному ядру гелію-4, стабільні ядра з масовими числами 5 та 8 відсутні. Тому елементам із масами ядер вище чотирьох утворюватися було важко. А для того, щоб утворити гелій, у ланцюжку ядерних перетворень має бути присутнім дейтерій — важкий ізотоп водню, в ядрі якого, крім протона, міститься ще нейтрон. Під час первинного нуклеосинтезу температура плазми була занадто високою, щоб зберегти цей ізотоп «цілим» — він просто розпадався. Між моментами, коли у Всесвіті ще було достатньо гаряче, щоб підтримувати реакції термоядерного синтезу, та коли він «охолов» достатньо для збереження стійкості ядра дейтерію, минуло дуже мало часу — приблизно 20 хвилин.

Після завершення первинного нуклеосинтезу, уже в «темні віки», у Всесвіті, заповненому атомами водню та гелію, почався процес утворення зірок, який тривав сотні мільйонів років. Перші світила мали бути дуже потужними джерелами енергії, щоб ефективно «проіонізовувати» навколишній нейтральний газ, а також стати основою для майбутніх квазарів. Відповідно вони мали бути дуже важкими: їхні маси оцінюють від кількох десятків до кількох тисяч мас Сонця. Час активного існування таких зірок вимірювався сотнями тисяч років. У своїх надрах вони синтезували нові, більш важкі хімічні елементи, й після своєї смерті збагатили ними навколишній простір. Ці об’єкти називають «зірками ІІІ покоління» — вони мали практично нульову металічність. Із їхніх «залишків» утворилися зірки ІІ покоління, що вже мали не нульову, але порівняно низьку металічність. Їхні маси були близькі до сонячної, а термін життя складав мільярди років. Саме їх ми можемо спостерігати у віддалених галактиках. Тепер настала епоха зірок І покоління, до яких належить і наше Сонце.

Еволюція Всесвіту
Еволюція Всесвіту від Великого Вибуху до наших днів

З плином часу Всесвіт все більше розширюється, і все в ньому змінюється. Проте ці зміни загалом стають дедалі менш помітними. Якщо на ранніх етапах «всесвітньої еволюції» все було компактним і відбувалося дуже швидко (утворення елементарних частинок зайняло від секунд до хвилин), то тепер космологічні процеси протікають дуже повільно, вони розтягнені на гігантські області простору. Активне життя зірки триває в межах від кількох мільйонів до десятків мільярдів років. Теорія Великого Вибуху спробувала пояснити, як виглядав наш світ на самому початку, проте це лише крихітна частка того, що може нам запропонувати Всесвіт. Тож і на нашу долю залишилося ще багато відкриттів.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine