Космический рассвет

«Науки о звездах» благодаря новым идеям и развитию техники в начале нашего века совершили рывок. Произошла революция в понимании природы и происхождения Вселенной. Ее итоги дают сегодня возможность выбрать основные цели исследований. План-отчет фокусируется на трех научных направлениях, где в скором времени ожидаются открытия. Это изучение происхождения и эволюции Вселенной, поиск обитаемых планет вне Солнечной системы и изучение законов фундаментальной физики. Условно эти три направления названы так: «космический рассвет», то есть поиск первых звезд, галактик и черных дыр, «новые миры», или поиск близких к нам обитаемых планет, и «физика Вселенной», или установление базовых принципов.

В последние десятилетия прошлого века люди узнали много нового об истории нашей Вселенной, начиная от Большого взрыва. Согласно этой основной астрофизической концепции, спустя некоторое время после взрыва Вселенная существовала в виде плотного сгустка искривленного пространственно-временного континуума (от лат. continuum — непрерывное), квантовые флуктуации которого и определили впоследствии крупномасштабную структуру сегодняшней Вселенной. Остыв при расширении до трех тысяч градусов, континуум распался и породил первые заряженные частицы вещества — электроны и протоны, которые, еще остыв, соединились в атомы. Эта эпоха — ее называют «рекомбинация плазмы» — привела к тому, что космос стал прозрачным для света. Сегодня мы наблюдаем этот свет в виде холодного реликтового микроволнового фона. Вселенная в те времена была смесью темного вещества и газа, ни галактик, ни звезд, ни планет не существовало. Излучение продолжало охлаждаться, и вскоре наступила «эпоха темноты».

Однако в более плотных областях газовых облаков под влиянием силы тяжести происходило сжатие; оно привело к рождению различных объектов, в том числе первых звезд и черных дыр. Такие звезды, состоящие из водорода и гелия, были очень массивными и горячими. Они осветили Вселенную, и интенсивный ультрафиолет вновь разбил многие атомы оставшихся облаков на ионы. Это время известно как эпоха реионизации.

Сегодня перед учеными стоит задача: понять, когда и каким образом из холодных сгустков водорода сформировались первые галактики и как они начали излучать свет. Иными словами, когда случился наш «космический рассвет». Некоторые наблюдения и расчеты показывают, что это произошло, когда Вселенной было примерно полмиллиарда лет от роду, то есть чуть более тринадцати миллиардов лет назад.

Ученые считают, что первые звезды были массивными и короткоживущими, они быстро превращались в сверхновые и взрывались. При этом шел нуклеосинтез — образование элементов тяжелее лития и гелия (которые, в свою очередь, образуются при термоядерном горении исходного водорода в ядрах звезд). Тяжелые элементы взрывом разносило по Вселенной, а на месте звезд оставались черные дыры. Они стали центрами притяжения вещества и сформировали вокруг себя галактики. Сейчас астрономы намереваются заглянуть в прошлое — найти на небе такие зародыши галактик, определить их поведение и эволюцию. (О там, как телескоп работает машиной времени, речь пойдет ниже.)

Так физики представляют себе гравитационные волны от слияния двух черных дыр. Chris Henze, NASA. Изображение с сайта lisa.nasa.gov

После «космического рассвета» появлялось все больше и больше галактик. Они формировались по мере того, как газ, возникший при взрывах сверхновых, и остатки межзвездных облаков водорода конденсировались в звезды, сливались, образовывали скопления. Свойства этих галактик поразительны. Известно, в частности, что они быстро выращивали в своих ядрах черные дыры с массами, в миллиарды раз большими массы Солнца, и становились исключительно яркими квазарами (эти объекты считаются ядрами компактных галактик). Как именно происходило образование галактик и их ядер, еще предстоит выяснить в деталях. Сейчас уже доказано, что наблюдаемые в телескоп гигантские галактики были образованы при слиянии меньших галактик и аккреции, то есть притока к ним холодного газа из межгалактического пространства. Перемешивались не только газ и звезды, но и соединялись их центральные черные дыры. При этих грандиозных событиях должны были излучаться волны пространственно-временного континуума, то есть гравитационные волны. Сегодня задача обнаружения таких волн стоит особенно остро.

Другой подход к изучению рассвета Вселенной дает космическая палеонтология, то есть поиски тех редких звезд, которые были сформированы на ранних этапах ее эволюции и содержат минимальные концентрации тяжелых элементов. Их можно использовать для реконструкции истории образования молодых галактик. Сегодня мы можем «просеять» на этот предмет только звезды нашей Галактики. Вскоре удастся исследовать и ближайших соседей.

Изучение первых звезд, галактик и квазаров — задача, решение которой позволит астрономам понять, как родилась Вселенная.

Поиск по сайту: