Період перед формуванням зірок, коли матерія почала гравітаційно збиратися в більш щільних областях
Після епохи рекомбінації — коли Всесвіт став прозорим для випромінювання і з'явився космічний мікрохвильовий фон (КМФ) — настала довга доба, що називається Темними віками. У той час ще не було жодних світних джерел (зірок чи квазарів), тож Всесвіт справді був темним. Проте, хоча видимого світла не було, відбувалися важливі процеси: матерія (переважно водень, гелій і темна матерія) почала гравітаційно збиратися, створюючи основу для формування перших зірок, галактик і великих структур.
У цій статті ми розглянемо:
- Визначення Темних віків
- Охолодження Всесвіту після рекомбінації
- Зростання флуктуацій густини
- Роль темної матерії у формуванні структур
- Космічний світанок: появa перших зірок
- Виклики та методи спостереження
- Значення для сучасної космології
1. Визначення темних віків
- Часова межа: Приблизно від 380 тисяч років після Великого вибуху (кінця рекомбінації) до утворення перших зірок, що почалося приблизно через 100–200 мільйонів років.
- Нейтральний Всесвіт: Після рекомбінації майже всі протони та електрони об'єдналися в нейтральні атоми (переважно водень).
- Відсутність значних джерел світла: Через відсутність зірок чи квазарів не було яскравих джерел випромінювання, тому Всесвіт був майже «невидимим» у багатьох діапазонах електромагнітного спектра.
У період темних віків фотони космічного мікрохвильового фону продовжували вільно поширюватися і охолоджуватися разом із розширенням Всесвіту. Однак ці фотони змістилися у мікрохвильову область, забезпечуючи лише слабке освітлення в той час.
2. Охолодження Всесвіту після рекомбінації
2.1 Зміна температури
Після рекомбінації (коли температура сягала близько 3 000 К) Всесвіт продовжував розширюватися, його температура падала. На початку темних віків температура фонових фотонів становила кілька десятків або сотень кельвінів. Домінував нейтральний водень, а гелій становив меншу частку (~24 % маси).
2.2 Частка іонізації
Невелика частина електронів все ж залишалася іонізованою (приблизно одна частина з 10 000 або ще менше) через різні залишкові процеси та незначну кількість гарячого газу. Ця невелика частка іонізації мала певний вплив на енергетичні обміни та хімію, проте загалом Всесвіт був переважно нейтральним — суттєво відмінним від попереднього іонізованого стану плазми.
3. Зростання флуктуацій густини
3.1 Зародки з раннього Всесвіту
Невеликі порушення густини, помітні у КМФ як температурні анізотропії, були сформовані квантовими флуктуаціями на ранньому етапі (наприклад, під час інфляції, якщо цей сценарій правильний). Після рекомбінації ці порушення означали незначні надлишки чи дефіцити матерії.
3.2 Панування матерії та гравітаційний колапс
У темні віки Всесвіт уже був володінням матерії — тут вирішальну роль відігравали темна і баріонна матерія, а не випромінювання. У місцях, де густина була трохи вищою, гравітаційне тяжіння поступово накопичувало більше матерії. З часом ці осередки надлишку зростали, що призводило до:
- Гало темної матерії: Скупчення темної матерії, що утворили гравітаційні колодязі, у які могли накопичуватися гази.
- Передзоряні хмари: Баріонна (звичайна) матерія слідувала за темною матерією у гало, утворюючи скупчення газу.
4. Роль темної матерії у формуванні структур
4.1 Космічна сітка
Моделювання формування структур показує, що темна матерія є вирішальною у конструюванні космічної сітки — структури ниток. Там, де найбільша концентрація темної матерії, збираються й баріонні гази, формуючи найперші масивні потенційні «колодязі».
4.2 Холодна темна матерія (ΛCDM)
У сучасній теорії ΛCDM вважається, що темна матерія є «холодною» (нерелятивістською) з ранніх часів, тому може ефективно збиратися. Ці гало темної матерії ростуть ієрархічно — спочатку формуються малі, які з часом зливаються у більші. Наприкінці Темних віків багато таких гало вже існували, готові стати місцями формування перших зірок (зірок III покоління).
5. Космічний світанок: поява перших зірок
5.1 Зірки III покоління
Зрештою, у найщільніших областях матерія колапсувала до перших зірок — так званих зірок III покоління. Ці зірки, майже повністю складені з водню та гелію (без важчих елементів), ймовірно, були значно масивнішими за сучасні. Їхнє запалення знаменує кінець Темних віків.
5.2 Реіонізація
Коли ці зірки запалили ядерні реакції, вони випромінювали багато ультрафіолетового випромінювання, яке почало реіонізувати навколишній нейтральний водень. З поширенням появи зірок (і пізніших галактик) зони реіонізації зростали і зливалися, перетворюючи міжгалактичний простір з переважно нейтрального назад у домінуючий іонізований стан. Ця епоха реіонізації тривала приблизно до z ~ 6–10 і остаточно завершила Темні віки, відкривши Всесвіту новий світловий етап.
6. Виклики та методи спостереження
6.1 Чому Темні віки важко спостерігати
- Відсутність яскравих джерел: Основна причина, чому цей період називають «темним», — це брак світлових об'єктів.
- Зсув КМФ: Після рекомбінації фотони охололи і зсунулися за межі видимої області.
6.2 Космологія 21 см
Перспективний метод дослідження Темних віків — це гіпертонкий перехід 21 см у нейтральному водні. У Темні віки нейтральний водень міг поглинати або випромінювати хвилю 21 см на фоні КМФ. По суті, картографуючи цей сигнал у різний космічний час, можна «шар за шаром» бачити розподіл нейтрального газу.
- Виклики: Сигнал 21 см дуже слабкий і загублений серед сильних фонових джерел (наприклад, нашої галактики).
- Експерименти: Такі проєкти, як LOFAR, MWA, EDGES та майбутній Square Kilometre Array (SKA), прагнуть виявити або уточнити спостереження лінії 21 см з цього періоду.
6.3 Непрямі висновки
Оскільки безпосередньо виявити електромагнітне випромінювання з Темних віків складно, вчені роблять непрямі висновки через космологічні симуляції і досліджують найдавніші галактики, спостережувані в пізніші періоди (z ~ 7–10).
7. Значення для сучасної космології
7.1 Тестування моделей формування структур
Перехід від Темних віків до космічного світанку — це чудова можливість перевірити, як матерія колапсувала, формуючи перші зв'язані об’єкти. Порівнюючи спостереження (особливо 21 см сигнал) з теоретичними моделями, можна уточнити розуміння про:
- Природу темної матерії та властивості її дрібномасштабних скупчень.
- Початкові умови інфляції та їх відображення у даних КМФ.
7.2 Уроки про космічну еволюцію
Досліджуючи Темні віки, космологи доповнюють цілісне опис історії Всесвіту:
- Гарячий Великий вибух і інфляційні флуктуації.
- Рекомбінація та відокремлення КМФ.
- Гравітаційний колапс Темних віків, що веде до перших зірок.
- Реіонізація та формування галактик.
- Зростання галактик і мережа великих космічних структур.
Всі ці етапи пов’язані, і краще пізнаючи один, глибше розкриваються інші.
Висновок
Темні віки — це важливий етап розвитку Всесвіту, коли не було світла зірок, але відбувалися активні гравітаційні скупчення. Саме тоді матерія почала збиратися у перші зв'язані структури і підготувала ґрунт для галактик та скупчень. Хоча спостерігати цей період безпосередньо важко, він надзвичайно важливий для розуміння того, як Всесвіт перейшов від однорідного розподілу матерії після рекомбінації до виразно структурованого космосу, який ми бачимо сьогодні.
Майбутній прогрес у 21 см космології та надчутливих радіоспостережних технологіях обіцяє пролити світло на цей мало відомий «темний» період, показуючи, як первинний водень і гелій скупчилися, щоб нарешті засяяли перші спалахи світла — космічний світанок, що дозволив сформувати незліченну кількість зірок і галактик.
Посилання та додаткове читання
- Barkana, R., & Loeb, A. (2001). “In the Beginning: The First Sources of Light and the Reionization of the Universe.” Physics Reports, 349, 125–238.
- Ciardi, B., & Ferrara, A. (2005). “The First Cosmic Structures and their Effects.” Space Science Reviews, 116, 625–705.
- Loeb, A. (2010). How Did the First Stars and Galaxies Form? Princeton University Press.
- Furlanetto, S. R., Oh, S. P., & Briggs, F. H. (2006). “Cosmology at Low Frequencies: The 21 cm Transition and the High-Redshift Universe.” Physics Reports, 433, 181–301.
- Planck Collaboration. https://www.cosmos.esa.int/web/planck
На основі цих досліджень Темні віки стають не просто порожньою паузою, а надзвичайно важливим зв'язком між детально вивченою епохою КМФ та яскравою Всесвітом зірок і галактик — епохою, таємниці якої ми починаємо розкривати лише зараз.