Schematyczny diagram historii Wszechświata, podkreślający reionizację, która zachodzi na dobre dopiero po powstaniu pierwszych gwiazd i galaktyk. Zanim powstały gwiazdy lub galaktyki, Wszechświat był pełen neutralnych atomów blokujących światło. Podczas gdy większość Wszechświata nie zostaje rejonizowana przed 550 milionami lat później, kilka szczęśliwych regionów jest w większości rejonizowanych wcześniej. Źródło zdjęcia: SG Djorgovski i in., Caltech Digital Media Center.

5 zaskakujących faktów na temat pierwszych galaktyk we wszechświecie

Chociaż nigdy ich nie widzieliśmy, oto, co już wiemy.

„Nagle otwierają się nowe programy, rzeczy, które możesz zrobić, których nigdy wcześniej nie mogłeś. Byłoby świetnie naukowo, byłoby świetnie dla narodu, dla nauczycieli i studentów, i byłoby po prostu świetne dla ogółu społeczeństwa. ” -Garth Illingworth

Jednym z najbardziej niezwykłych faktów na temat naszego Wszechświata jest to, że nie istniał on od zawsze. Grudki i gromady materii, które widzimy - planety, gwiazdy, chmury gazowe, galaktyki i inne - wyrosły z mniejszych kawałków materii, które z czasem grawitacyjnie wzrosły i połączyły się. Jeśli patrzymy na obiekty w coraz większej odległości, światło z nich dłużej dociera do naszych oczu, co oznacza, że ​​przybywające dziś światło zostało wyemitowane miliony, a nawet miliardy lat temu. Kiedy patrzymy w kosmos, patrzymy również w przeszłość. W pewnym momencie osiągniemy odległość tak wielką, że wtedy nie było gwiazd ani galaktyk. Chociaż zajmie to Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba, aby zobaczyć te pierwsze galaktyki, istnieje pięć zaskakujących faktów, które, jak wiemy, muszą być prawdziwe w odniesieniu do tych najbardziej odległych obiektów ze wszystkich.

Dyski protoplanetarne, z którymi mają się tworzyć wszystkie układy słoneczne, z czasem połączą się w planety, jak pokazano na tej ilustracji. Jednak gdy Wszechświat składa się wyłącznie z wodoru i helu, mogą się tworzyć tylko planety gazowe, a nie skaliste. Źródło zdjęcia: NAOJ.

1.) Wśród pierwszych gwiazd i galaktyk nie ma planet skalistych. Ilekroć tworzysz gwiazdy z molekularnej chmury gazu, możesz w pełni oczekiwać, że gaz rozpadnie się na całą masę grudek, które rosną w różnym tempie, w zależności od tego, jak duże mają być na początku i co jeszcze jest w ich pobliżu. Duże chmury gazowe będą rosły gwiazdami i planetami o różnych rozmiarach, ale nawet najmniejsze światy, które w pierwszej formie będą zbudowane wyłącznie z gazu: wodoru i helu. Bez poprzednich generacji gwiazd nie ma cięższych pierwiastków, które mogłyby tworzyć ciała stałe, takie jak skaliste planety lub księżyce. Mogą powstawać małe kule gazu, ale gdy te gwiazdy zapalą się, zostaną po prostu spalone w przestrzeń międzygwiezdną przez promieniowanie jonizujące tych pierwszych pożarów jądrowych we Wszechświecie.

Galaktyki porównywalne do dzisiejszej Drogi Mlecznej są liczne, ale młodsze galaktyki podobne do Drogi Mlecznej są z natury mniejsze, bardziej niebieskie i bogatsze w gaz niż ogólnie galaktyki, które widzimy dzisiaj. W przypadku pierwszych galaktyk jest to ekstremalne. Źródło zdjęcia: NASA i ESA.

2.) Najwcześniejsze galaktyki są małe w porównaniu do tych, które mamy dzisiaj. Kiedy powstają pierwsze neutralne atomy we Wszechświecie, już zlepiają się, nawet nieznacznie, w nadmierne i niedojrzałe regiony określonego rozmiaru. Zawierające gdziekolwiek od kilkuset tysięcy do kilku milionów mas Słońca, one utworzą nasiona pierwszych gromad gwiazd. W ciągu prawdopodobnie 50 do 200 milionów lat grawitacja powoduje, że pierwsze chmury gazu zapadają się i tworzą pierwsze gwiazdy. Kiedy gromady gwiazd zaczynają się łączyć grawitacyjnie ze sobą, następuje szybkie formowanie gwiazd i właśnie w tym momencie możemy zacząć mówić, że utworzyliśmy pierwsze galaktyki Wszechświata. Chociaż mogą one stanowić jedynie niewielki ułamek masy Drogi Mlecznej, być może 0,001% tak masywnej jak my, są to w rzeczywistości galaktyki same w sobie, zawierające gwiazdy, gromady gwiazd, planety, gaz, pył, a nawet aureole ciemnej materii.

Hubble eXtreme Deep Field, nasz najgłębszy jak dotąd widok wszechświata, który ujawnia galaktyki z czasów, gdy Wszechświat miał zaledwie 3–4% swojego obecnego wieku. Jest to jednak absolutny limit, jak daleko może zajść Hubble; więcej czasu obserwacji ujawni słabsze galaktyki, ale nie bardziej odległe. Źródło zdjęcia: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee i P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Uniwersytet Leiden; i zespół HUDF09.

3.) Nawet gdyby Hubble miał wiecznie patrzeć na odległy Wszechświat, nigdy nie zobaczyłby tych pierwszych galaktyk. Światło emitowane przez te galaktyki powinno być podobne do światła emitowanego obecnie przez nowo powstające gwiazdy. Kiedy galaktyka powstaje po raz pierwszy, powinna być pełna gorących, jasnych, krótkotrwałych niebieskich gwiazd, które dominują w jasności wszystkich pozostałych. Ale w przeciwieństwie do pobliskich galaktyk, światło tych najwcześniejszych wymaga olbrzymiej kosmicznej podróży - która z naszej perspektywy trwa ponad 13 miliardów lat - aby dotrzeć do naszych oczu. W tym czasie Wszechświat rozszerza się, powodując, że długość fali tego początkowo ultrafioletowego światła przesuwa się na czerwono przez widzialne, przez bliską podczerwień i do środkowej części podczerwieni widma. Nawet jeśli Hubble, który może obserwować światło dość daleko w bliskiej podczerwieni, patrzy na niebo wiecznie, nigdy nie byłby w stanie wykryć galaktyk z przesunięciem ku czerwieni od 15 do 25, gdzie spodziewane są pierwsze galaktyki. Do tego potrzebujemy Jamesa Webba.

Gromada RMC 136 (R136) w Mgławicy Tarantula w Wielkim Obłoku Magellana jest domem dla najbardziej masywnych znanych gwiazd. R136a1, największy z nich wszystkich, jest ponad 250 razy większy od masy Słońca. Źródło zdjęcia: Europejskie Obserwatorium Południowe / P. Crowther / CJ Evans.

4.) Najbardziej masywne gwiazdy we Wszechświecie istniały tylko w najwcześniejszych czasach. Dzisiaj, gdy spojrzymy głęboko w ultramasywny obszar gwiazdotwórczy, spodziewamy się, że znajdziemy najjaśniejsze, najjaśniejsze i najbardziej masywne gwiazdy ze wszystkich. Największa w naszej lokalnej grupie, Mgławica Tarantula (powyżej) w galaktyce satelitarnej Drogi Mlecznej, zawiera wiele setek tysięcy mas Słońca, a także najbardziej masywną znaną gwiazdę: R136a1. Przy masie około 260 razy większej od Słońca, jest to najbardziej masywna gwiazda, jaką kiedykolwiek odkryto. Ale jest też obciążony pierwiastkami wznoszącymi się wysoko na układzie okresowym, podobnie jak nasze Słońce, które tłumi początkowy wzrost masywnych gwiazd. Ponieważ były zbudowane z samego nieskazitelnego wodoru i helu, pierwsze gwiazdy brakowały tego tłumienia i mogły rosnąć do jeszcze większej masy. Jak duże się dostały? 500 razy masywniejszy niż Słońce? 1000 razy? 2000 razy? Przy odrobinie szczęścia James Webb nauczy nas odpowiedzi.

Absorpcja światła o długości milimetra emitowanego przez elektrony wirujące wokół potężnych pól magnetycznych generowanych przez supermasywną czarną dziurę galaktyki prowadzi do ciemnej plamy w centrum galaktyki. Cień wskazuje, że na czarną dziurę padają zimne chmury gazu molekularnego. Takie supermasywne czarne dziury, a przynajmniej ich nasiona, należy znaleźć w pierwszych galaktykach Wszechświata. Źródło zdjęcia: NASA / ESA & Hubble (niebieski), ALMA (czerwony).

5.) Pierwsze supermasywne czarne dziury powinny powstać w tych pierwszych galaktykach niemal od momentu ich narodzin. Paradoksalnie, im bardziej masywna jest gwiazda, tym krótsza będzie jej żywotność. Najbardziej masywne gwiazdy żyją zaledwie kilka milionów lat przed przejściem do supernowej lub bezpośrednim upadkiem; w obu przypadkach wytwarzają masywne czarne dziury. Te czarne dziury szybko migrują do centrum galaktyk, gdzie łączą się ze sobą i akretują materię, stając się ziarnami supermasywnych czarnych dziur, które widzimy dzisiaj. Te najwcześniejsze galaktyki, nawet gdy po raz pierwszy stają się widoczne, mogą zawierać czarne dziury setki tysięcy, a nawet milionów razy masywniejsze niż nasze Słońce, porównywalne z masą Słońca o masie czterech milionów, obecną w centrum Drogi Mlecznej. Te obiekty muszą tam być, a James Webb może po prostu pokazać nam, jak naprawdę są masywne.

Wielkoskalowa struktura Wszechświata zmienia się w czasie, gdy maleńkie niedoskonałości rosną, tworząc pierwsze gwiazdy i galaktyki, a następnie łączą się, tworząc duże, nowoczesne galaktyki, które widzimy dzisiaj. Szukanie dużych odległości ujawnia młodszy Wszechświat, podobny do tego, jaki był nasz region lokalny w przeszłości. Zdjęcie: Chris Blake i Sam Moorfield.

Te bardzo odległe, ultra młode i bardzo małe galaktyki nie pozostają tak długo, pamiętajcie. W pewnym momencie dawno temu każda pobliska galaktyka, którą dziś widzimy, nie różniła się tak bardzo od tych pierwszych, które odkryjemy od nieco ponad roku, kiedy James Webb uruchamia się i wdraża. Pierwsze, które się uformowały, najszybciej wzrosły grawitacyjnie, więc z czasem mają 13,8 miliarda lat, przyciągną coraz więcej materii i same będą prawdopodobnie gigantycznymi spiralami lub eliptycznymi we własnych grupach i gromadach, wiele tak jak my. Ale w tej chwili nie jesteśmy w stanie dowiedzieć się, jak wyglądała przeszłość naszej Drogi Mlecznej. W końcu wielką zbrodnią Wszechświata jest to, że możemy go zobaczyć tylko dzisiaj, w jednej konkretnej chwili. Pomimo całej kosmicznej historii tego, co się wydarzyło, jeśli chodzi o to, gdzie jesteśmy teraz, jedyne, co wiemy, to ci, którzy przeżyli.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy, oraz Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.