Laikmets pirms zvaigžņu veidošanās, kad matērija sāka gravitacionāli sakopoties blīvākās vietās
Pēc rekombinācijas laikmeta — kad Visums kļuva caurspīdīgs starojumam un parādījās kosmiskais mikroviļņu fons (KMF) — iestājās ilgs periods, ko sauc par Tumšajiem laikmetiem. Tajā laikā vēl nebija nevienu starojošu avotu (zvaigžņu vai kvazāru), tāpēc Visums patiešām bija tumšs. Tomēr, lai gan redzamā gaisma nebija, notika svarīgi procesi: matērija (galvenokārt ūdeņradis, hēlijs un tumšā matērija) sāka gravitacionāli sakopoties, radot pamatu pirmajām zvaigznēm, galaktikām un lielo struktūru veidošanai.
Šajā rakstā apskatīsim:
- Tumšo laikmetu definīcija
- Visuma atdzišana pēc rekombinācijas
- Blīvuma svārstību pieaugums
- Tumšās matērijas loma struktūru veidošanā
- Kosmiskā rītausma: pirmo zvaigžņu rašanās
- Novērošanas izaicinājumi un metodes
- Mūsdienu kosmoloģijas nozīme
1. Tumšo laikmetu definīcija
- Laika robeža: Aptuveni no 380 000 gadu pēc Lielā sprādziena (rekombinācijas beigām) līdz pirmajām zvaigznēm, kas sāka veidoties aptuveni pēc 100–200 miljoniem gadu.
- Neitrāls Visums: Pēc rekombinācijas gandrīz visi protoni un elektroni savienojās neitrālos atomos (galvenokārt ūdeņradī).
- Nav nozīmīgu gaismas avotu: Bez zvaigznēm vai kvazāriem nebija spilgtu starojuma avotu, tāpēc Visums bija gandrīz "neredzams" lielākajā daļā elektromagnētiskā spektra diapazonu.
Tumšo laikmetu periodā kosmiskā mikroviļņu fona fotoni turpināja brīvi izplatīties un atdzist, kamēr Visums izplešas. Tomēr šie fotoni pārgāja mikroviļņu diapazonā, nodrošinot tikai nelielu apgaismojumu tajā laikā.
2. Visuma atdzišana pēc rekombinācijas
2.1 Temperatūras izmaiņas
Pēc rekombinācijas (kad temperatūra sasniedza aptuveni 3 000 K) Visums turpināja izplesties, tā temperatūra samazinājās. Tumšo laikmetu sākumā fonālo fotonu temperatūra bija dažas desmitas vai simti Kelvina. Dominēja neitrālais ūdeņradis, un hēlijs veidoja mazāku daļu (~24 % masas).
2.2 Jonizācijas daļa
Neliela daļa elektronu tomēr palika jonizēta (aptuveni viena daļa no 10 000 vai vēl mazāk) dažādu atlikušās procesus un neliela karstas gāzes daudzuma dēļ. Šai nelielajai jonizācijas daļai bija zināma ietekme uz enerģijas apmaiņu un ķīmiju, taču kopumā Visums bija galvenokārt neitrāls — ļoti atšķirīgs no iepriekšējā jonizētā plazmas stāvokļa.
3. Blīvuma svārstību pieaugums
3.1 Agrīnās Visuma aizmetņi
Nelieli blīvuma traucējumi, redzami KMF kā temperatūras anizotropijas, tika veidoti kvantu svārstību agrīnajā periodā (piemēram, inflācijas laikā, ja šis scenārijs ir pareizs). Pēc rekombinācijas šie traucējumi nozīmēja nelielus matērijas pārpalikumus vai trūkumus.
3.2 Matērijas pārvaldība un gravitācijas kolapsa
Tumšo laikmetu laikā Visums jau bija matērijas valdījumā — šeit izšķirošu lomu spēlēja tumšā un barjoniskā matērija, nevis starojums. Vietās, kur blīvums bija nedaudz lielāks, gravitācijas pievilkšanās pakāpeniski uzkrāja vairāk matērijas. Laika gaitā šie pārpalikuma centri palielinājās, izraisot:
- Tumšās matērijas haloji: Tumšās matērijas koncentrācijas, kas veidoja gravitācijas akas, kurās varēja uzkrāties gāzes.
- Priekšzvaigžņu mākoņi: Barjoniskā (parastā) matērija sekoja tumšās matērijas halojam, veidojot gāzu koncentrācijas.
4. Tumšās matērijas loma struktūru veidošanā
4.1 Kosmiskais tīkls
Struktūru veidošanās simulācijas rāda, ka tumšā matērija ir izšķiroša, veidojot kosmisko tīklu — šķiedru struktūru. Tur, kur tumšās matērijas koncentrācija ir vislielākā, saplūst arī barjonu gāzes, veidojot pašus agrīnākos masīvos potenciālos "akās".
4.2 Aukstā tumšā matērija (ΛCDM)
Mūsdienu ΛCDM teorijā tiek uzskatīts, ka tumšā matērija ir "auksta" (nerelativistiska) jau no agrīnajiem laikiem, tāpēc tā var efektīvi sakopoties. Šie tumšās matērijas haloi aug hierarhiski — sākumā veidojas mazi, kas laika gaitā saplūst lielākos. Tumšo laikmetu beigās daudzi no šādiem haloiem jau pastāvēja, gatavi kļūt par vietām, kur veidosies pirmās zvaigznes (III populācijas zvaigznes).
5. Kosmiskā rītausma: pirmo zvaigžņu rašanās
5.1 III populācijas zvaigznes
Beigu beigās, blīvākajās vietās viela sabruka līdz pirmajām zvaigznēm — tā sauktajām III populācijas zvaigznēm. Šīs zvaigznes, sastāvošas gandrīz tikai no ūdeņraža un hēlija (bez smagākiem elementiem), droši vien bija daudz masīvākas nekā mūsdienu zvaigznes. To aizdegšanās iezīmē Tumšo laikmetu beigas.
5.2 Jonizācija
Kad šīs zvaigznes aizdedzināja kodolreakcijas, tās izdalīja daudz ultravioletā starojuma, kas sāka jonizēt apkārtējo neitrālo ūdeņradi. Zvaigžņu (un vēlāk galaktiku) rašanās paplašinoties, jonizācijas zonas palielinājās un saplūda, tā pārveidojot starpgalaktisko vidi no galvenokārt neitrālas atpakaļ uz dominējoši jonizētu stāvokli. Šī jonizācijas epoha ilga ap z ~ 6–10 un galīgi noslēdza Tumšos laikmetus, atklājot Visumam jaunu gaismas posmu.
6. Novērošanas izaicinājumi un metodes
6.1 Kāpēc Tumšie laikmeti ir grūti novērojami
- Nav spilgtu avotu: Galvenais iemesls, kāpēc šo laikposmu sauc par "tumšo", ir gaismas objektu trūkums.
- KMF nobīde: Pēc rekombinācijas palikušie fotoni atdzisa un nobīdījās no redzamās zonas.
6.2 21 cm kosmoloģija
Perspektīva metode Tumšajiem laikmetiem pētīt ir 21 cm hiperfina pāreja neitrālajā ūdeņradī. Tumšajos laikos neitrālais ūdeņradis varēja absorbēt vai izstarot 21 cm viļņu, fonā esošās KMF ietekmē. Būtībā, kartējot šo signālu dažādos kosmiskos laikos, var "slāņveidīgi" redzēt neitrālo gāzu sadalījumu.
- Izaicinājumi: 21 cm signāls ir ļoti vājš un pazūd starp spēcīgiem fona avotiem (piemēram, mūsu galaktikā).
- Eksperimenti: Tādas programmas kā LOFAR, MWA, EDGES un topošā Square Kilometre Array (SKA) cenšas atklāt vai precizēt 21 cm līnijas novērojumus no šī laikposma.
6.3 Netiešie secinājumi
Tā kā tieša elektromagnētiskā starojuma no Tumšajiem laikmetiem atklāšana ir sarežģīta, zinātnieki veic netiešus secinājumus, izmantojot kosmoloģiskās simulācijas un pēta vēlākos laikposmos novērotās agrīnākās galaktikas (z ~ 7–10).
7. Nozīme mūsdienu kosmoloģijai
7.1 Strukturēšanās modeļu pārbaude
Pāreja no Tumšajiem laikmetiem uz kosmisko rītausmu ir lieliska iespēja pārbaudīt, kā matērija sabruka, veidojot pirmos saistītos objektus. Salīdzinot novērojumus (īpaši 21 cm signālu) ar teorētiskajiem modeļiem, var precizēt izpratni par:
- Tumšās matērijas dabu un tās smalka mēroga sakopojumu īpašības.
- Inflācijas sākotnējos apstākļus un to atspoguļojumu KMF datos.
7.2 Nodarbības par kosmisko evolūciju
Pētot Tumšos laikmetus, kosmologi papildina vienotu Visuma vēstures aprakstu:
- Karstais Lielais sprādziens un inflācijas svārstības.
- Rekombinācija un KMF atdalīšanās.
- Tumšo laikmetu gravitācijas kolapsa process, kas noved pie pirmajām zvaigznēm.
- Rejonizācija un galaktiku veidošanās.
- Galaktiku augšana un lielo kosmisko struktūru tīkls.
Visi šie posmi ir saistīti, un, labāk iepazīstot vienu, dziļāk atklājas arī citi.
Secinājums
Tumšie laikmeti ir nozīmīgs Visuma attīstības posms, kad nebija zvaigžņu gaismas, taču notika aktīvas gravitācijas sakopojumi. Tieši tad matērija sāka sakopoties pirmajos saistītajos veidojumos un sagatavoja augsni galaktiku un kopu sākumam. Lai gan šo laikmetu tieši novērot ir grūti, tas ir ļoti svarīgs, lai saprastu, kā Visums pārgāja no vienmērīgas matērijas sadalījuma pēc rekombinācijas uz izteiktu strukturēto kosmosu, ko redzam tagad.
Nākotnes progress 21 cm kosmoloģijā un ļoti jutīgās radio novērošanas tehnoloģijās sola izgaismot šo maz zināmo “tumšo” laikmetu, parādot, kā primārais ūdeņradis un hēlijs sakoncentrējās, lai galu galā iedegtu pirmie gaismas zibšņi — kosmiskā rītausma, kas ļāva veidoties neskaitāmām zvaigznēm un galaktikām.
Saites un plašāka lasāmviela
- Barkana, R., & Loeb, A. (2001). “Sākumā: pirmie gaismas avoti un Visuma jonizācija.” Physics Reports, 349, 125–238.
- Ciardi, B., & Ferrara, A. (2005). “Pirmās kosmiskās struktūras un to ietekme.” Space Science Reviews, 116, 625–705.
- Loeb, A. (2010). Kā veidojās pirmās zvaigznes un galaktikas? Princeton University Press.
- Furlanetto, S. R., Oh, S. P., & Briggs, F. H. (2006). “Kosmoloģija zemās frekvencēs: 21 cm pāreja un augsta sarkanais nobīde Visums.” Physics Reports, 433, 181–301.
- Planck Collaboration. https://www.cosmos.esa.int/web/planck
Pamatojoties uz šiem pētījumiem, Tumšie laikmeti kļūst nevis par tukšu pauzi, bet par īpaši svarīgu saikni starp detalizēti izpētīto KMF laikmetu un spožo zvaigžņu un galaktiku Visumu — laikmetu, kura noslēpumus sākam atklāt tikai tagad.