Период до формирования звёзд, когда материя начала гравитационно скапливаться в более плотных областях
После эпохи рекомбинации — когда Вселенная стала прозрачной для излучения и появился космический микроволновой фон (КМФ) — наступил долгий период, называемый Тёмными веками. В это время ещё не было светящихся источников (звёзд или квазаров), поэтому Вселенная действительно была тёмной. Тем не менее, хотя видимого света не было, происходили важные процессы: материя (в основном водород, гелий и тёмная материя) начала гравитационно скапливаться, создавая основу для формирования первых звёзд, галактик и крупных структур.
В этой статье мы обсудим:
- Определение Тёмных веков
- Остывание Вселенной после рекомбинации
- Рост флуктуаций плотности
- Роль тёмной материи в формировании структур
- Космическая заря: появление первых звёзд
- Проблемы и методы наблюдения
- Значение для современной космологии
1. Определение Тёмных веков
- Временная граница: Примерно от 380 000 лет после Большого взрыва (окончание рекомбинации) до формирования первых звёзд, которое началось примерно через 100–200 миллионов лет.
- Нейтральная Вселенная: После рекомбинации почти все протоны и электроны объединились в нейтральные атомы (в основном водород).
- Отсутствие значимых источников света: Без звёзд или квазаров не было ярких источников излучения, поэтому Вселенная была почти «невидимой» во многих диапазонах электромагнитного спектра.
В период Тёмных веков фотоны космического микроволнового фона продолжали свободно распространяться и остывать по мере расширения Вселенной. Однако эти фотоны сместились в микроволновую область, обеспечивая лишь слабое освещение в то время.
2. Охлаждение Вселенной после рекомбинации
2.1 Изменение температуры
После рекомбинации (когда температура достигала около 3 000 К) Вселенная продолжала расширяться, её температура падала. В начале Тёмных веков температура фоновых фотонов составляла несколько десятков или сотен кельвинов. Доминировал нейтральный водород, а гелий составлял меньшую часть (~24 % массы).
2.2 Доля ионизации
Небольшая часть электронов всё же оставалась ионизированной (примерно одна часть на 10 000 или меньше) из-за различных остаточных процессов и малого количества горячего газа. Эта небольшая доля ионизации оказывала некоторое влияние на обмен энергией и химию, однако в целом Вселенная была в основном нейтральной — сильно отличающейся от предыдущего ионизированного состояния плазмы.
3. Рост флуктуаций плотности
3.1 Зачатки из ранней Вселенной
Небольшие нарушения плотности, видимые в КМФ как температурные анизотропии, были сформированы квантовыми флуктуациями в ранний период (например, во время инфляции, если этот сценарий верен). После рекомбинации эти нарушения означали незначительные избытки или дефициты материи.
3.2 Господство материи и гравитационный коллапс
Во время Тёмных веков Вселенная уже была владениями материи — здесь решающую роль играли тёмная и барионная материя, а не излучение. В областях с немного большим плотностью гравитационное притяжение постепенно накапливало больше материи. Со временем эти очаги избытка росли, что приводило к:
- Гало тёмной материи: Скопления тёмной материи, образовавшие гравитационные колодцы, в которые могли накапливаться газы.
- Предзвёздные облака: Барионная (обычная) материя следовала за гало тёмной материи, образуя скопления газа.
4. Роль тёмной материи в формировании структур
4.1 Космическая сеть
Симуляции формирования структур показывают, что тёмная материя играет решающую роль в построении космической сети — структуры нитей. Там, где концентрация тёмной материи наибольшая, собираются и барионные газы, формируя самые ранние массивные потенциальные «колодцы».
4.2 Холодная тёмная материя (ΛCDM)
В современной теории ΛCDM считается, что тёмная материя «холодная» (нерелятивистская) с ранних времён, поэтому может эффективно скапливаться. Эти гало тёмной материи растут иерархически — сначала формируются маленькие, которые со временем сливаются в большие. К концу Тёмных веков многие такие гало уже существовали, готовые стать местами формирования первых звёзд (звёзд III поколения).
5. Космическая заря: появление первых звёзд
5.1 Звёзды III поколения
В конечном итоге в самых плотных областях материя сжалась до первых звёзд — так называемых звёзд III поколения. Эти звёзды, состоящие почти полностью из водорода и гелия (без тяжёлых элементов), вероятно, были значительно массивнее современных. Их зажигание знаменует конец Тёмных веков.
5.2 Реонизация
Когда в этих звёздах начались ядерные реакции, они излучали обильное ультрафиолетовое излучение, которое начало реонизировать окружающий нейтральный водород. По мере расширения появления звёзд (и последующих галактик) зоны реонизации увеличивались и сливались, превращая межгалактическую среду из преимущественно нейтральной обратно в доминирующее ионизированное состояние. Эта эпоха реонизации длилась примерно при z ~ 6–10 и окончательно завершила Тёмные века, открыв Вселенной новый световой этап.
6. Проблемы и методы наблюдения
6.1 Почему Тёмные века трудно наблюдать
- Отсутствие ярких источников: Главная причина, почему этот период называется «тёмным», — это нехватка светящихся объектов.
- Сдвиг КМФ: После рекомбинации оставшиеся фотоны остыли и сместились из видимой области.
6.2 Космология 21 см
Перспективный метод изучения Тёмных веков — это гипертонкий переход 21 см в нейтральном водороде. В Тёмные века нейтральный водород мог поглощать или излучать волну 21 см на фоне КМФ. По сути, картируя этот сигнал в разное космическое время, можно «слоисто» видеть распределение нейтрального газа.
- Проблемы: Сигнал 21 см очень слаб и теряется на фоне сильных фоновых источников (например, нашей галактики).
- Эксперименты: Такие проекты, как LOFAR, MWA, EDGES и будущая Square Kilometre Array (SKA), стремятся обнаружить или уточнить наблюдения линии 21 см из этого периода.
6.3 Косвенные выводы
Поскольку прямое обнаружение электромагнитного излучения из Тёмных веков затруднено, учёные делают косвенные выводы через космологические симуляции и изучают самые ранние галактики, наблюдаемые в более поздние периоды (z ~ 7–10).
7. Значение для современной космологии
7.1 Тестирование моделей формирования структур
Переход от Тёмных веков к космической заре — отличная возможность проверить, как материя коллапсировала, формируя первые связанные объекты. Сравнивая наблюдения (особенно сигнал 21 см) с теоретическими моделями, можно уточнить понимание о:
- Природу тёмной материи и свойства её мелкомасштабных скоплений.
- Начальные условия инфляции и их отражения в данных КМФ.
7.2 Уроки о космической эволюции
Изучая Тёмные века, космологи дополняют целостное описание истории Вселенной:
- Горячий Большой взрыв и инфляционные флуктуации.
- Рекомбинация и отделение КМФ.
- Гравитационный коллапс Тёмных веков, ведущий к первым звёздам.
- Реонизация и формирование галактик.
- Рост галактик и сеть крупных космических структур.
Все эти этапы взаимосвязаны, и лучшее понимание одного из них глубже раскрывает и другие.
Заключение
Тёмные века — это важный этап эволюции Вселенной, когда не было света звёзд, но происходили активные гравитационные скопления. Именно тогда материя начала собираться в первые связанные структуры и подготовила почву для галактик и скоплений. Хотя наблюдать этот период напрямую сложно, он крайне важен для понимания того, как Вселенная перешла от однородного распределения материи после рекомбинации к выразительно структурированному космосу, который мы видим сейчас.
Будущие достижения в 21 см космологии и сверхчувствительных радионаблюдательных технологиях обещают пролить свет на этот малоизвестный «тёмный» период, показывая, как первичный водород и гелий сконцентрировались, чтобы в итоге засияли первые вспышки света — космическая заря, позволившая сформироваться бесчисленному количеству звёзд и галактик.
Ссылки и дополнительное чтение
- Barkana, R., & Loeb, A. (2001). «В начале: первые источники света и реионизация Вселенной.» Physics Reports, 349, 125–238.
- Ciardi, B., & Ferrara, A. (2005). «Первые космические структуры и их влияние.» Space Science Reviews, 116, 625–705.
- Loeb, A. (2010). Как образовались первые звёзды и галактики? Princeton University Press.
- Furlanetto, S. R., Oh, S. P., & Briggs, F. H. (2006). «Космология на низких частотах: переход 21 см и Вселенная на высоких красных смещениях.» Physics Reports, 433, 181–301.
- Planck Collaboration. https://www.cosmos.esa.int/web/planck
Согласно этим исследованиям, Тёмные века становятся не просто пустой паузой, а крайне важным звеном между подробно изученной эпохой КМФ и яркой Вселенной звёзд и галактик — эпохой, тайны которой мы начинаем раскрывать только сейчас.