Når tiden løper fra høyre til venstre, viser denne visualiseringen dannelsen av de første stjernene ut av en dis av nøytralt hydrogen etter universets Cosmic Dawn.
(Bilde: © NASA / STScI)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og sjefforsker ved COSI vitensenter. Sutter er også vert for Ask a Spaceman og Space Radio, og leder AstroTours over hele verden. Sutter bidro med denne artikkelen til Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Den kanskje største åpenbaringen de siste hundre årene av å studere universet, er at hjemmet vårt endrer seg og utvikler seg med tiden. Og ikke bare på mindre, ubetydelige måter som stjerner som beveger seg, gasskyer som komprimerer og massive stjerner som dør i kataklysmiske eksplosjoner. Nei, hele kosmos har endret sin grunnleggende karakter mer enn en gang i den fjerne fortid, og fullstendig endret sin indre tilstand i en global - det vil si universell - skala.
Ta for eksempel det faktum at det en gang i den tåke, dårlig husket fortiden, ikke var noen stjerner.
Før det første lyset
Vi vet dette enkle faktum på grunn av eksistensen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB), et bad med svak, men vedvarende stråling som suger hele universet. Hvis du støter på et tilfeldig foton (litt lys), er det en god sjanse for at det er fra CMB - at lyset tar mer enn 99,99 prosent av all strålingen i universet. Det er en resterende relikvie fra da universet bare var 270 000 år gammelt, og overgikk fra et varmt, roiling plasma til en nøytral suppe (uten positiv eller negativ ladning). Den overgangen frigjorde hvit varm stråling som i løpet av 13,8 milliarder år ble avkjølt og strukket ned i mikrobølgene, noe som ga oss bakgrunnslyset vi kan oppdage i dag. [Kosmisk mikrobølgeovnbakgrunn: Big Bang Relic Explained (Infographic)]
På tidspunktet for utgivelsen av CMB var universet omtrent en milliondel av dets nåværende volum og tusenvis av grader varmere. Det var også nesten helt ensartet, med tetthetsforskjeller ikke større enn 1 del av 100 000.
Så ikke akkurat en tilstand der stjerner lykkelig kunne eksistere.
The Dark Ages
I millionvis av år etter utgivelsen av CMB (kjærlig kjent som "rekombinasjon" i astronomikretser, på grunn av en historisk misforståelse av enda tidligere epoker), var universet i en underlig tilstand. Det var et vedvarende bad med hvitvarm stråling, men den strålingen ble raskt avkjølende da universet fortsatte sin ubønnhørlige ekspansjon. Det var selvfølgelig mørk materie, med å henge på sin egen virksomhet. Og der var den nå nøytrale gassen, nesten helt hydrogen og helium, som endelig ble frigjort fra sin kamp med stråling og fri til å gjøre som den ville.
Og det det gledelig å gjøre var å henge med så mye av seg selv som mulig. Heldigvis trengte det ikke å jobbe veldig hardt: I det overmåte tidlige universet forstørret mikroskopiske kvantumsvingninger til å bli bare små forskjeller i tetthet (og hvorfor det skjedde er en historie for en annen dag). Disse små tetthetsforskjellene påvirket ikke den større kosmologiske ekspansjonen, men de påvirket livet til det nøytrale hydrogenet. Enhver lapp som var litt tettere enn gjennomsnittet - selv med en bitteliten bitteliten - hadde et noe sterkere gravitasjonsrekk på naboene. Det forbedrede trekket oppmuntret mer gass til å bli med på festen, noe som forsterket tyngdekraften, noe som oppmuntret enda flere naboer og så videre.
Som høy musikk på et husfest som fungerte som en sirenesang for å oppmuntre flere avslørere, i løpet av millioner av år ble den rike gassen rikere og den dårlige gassen ble dårligere. Gjennom enkel tyngdekraft vokste bittesmå tetthetsforskjeller, og bygde de første massive tettstederne og tømte omgivelsene.
Den "kosmiske daggry" går i stykker
Et sted, et eller annet sted, hadde en del del av nøytralt hydrogen flaks. Ved å ha stablet lag på overveldende lag på seg selv nådde den innerste kjernen en kritisk temperatur og tetthet, og tvang atomkjernene sammen i et komplisert mønster, antennet i kjernefusjon og omdannet råmaterialet til helium. Den voldsomme prosessen frigjorde også litt energi, og på et øyeblikk ble den første stjernen født.
For første gang siden de første dusin minuttene av Big Bang, fant kjernefysiske reaksjoner sted i vårt univers. Nye kilder til lys, som prikker kosmos, oversvømmet de en gang tomme tomrom med stråling. Men vi er ikke helt sikre på når denne betydningsfulle hendelsen skjedde; observasjoner av denne epoken er svært vanskelig. For det første forhindrer de enorme kosmologiske avstandene til og med at våre kraftigste teleskoper observerer det første lyset. Det som gjør det verre er at det tidlige universet var nesten helt nøytralt, og nøytral gass avgir ikke mye lys i utgangspunktet. Det er ikke før flere generasjoner med stjerner limer seg sammen for å danne galakser som vi til og med kan få et svakt hint av denne viktige alderen.
Vi mistenker at de første stjernene dannet seg et sted i løpet av de første hundre millioner årene av universet. Det er ikke så mye senere at vi har direkte observasjoner av galakser, aktive galaktiske kjerner og til og med begynnelsen av klynger av galakser - de mest massive strukturene som til slutt oppstår i universet. En gang før dem måtte de første stjernene ankomme, men ikke for tidlig, fordi de hektiske forholdene i spedbarnsuniverset ville ha forhindret dannelsen av dem.
Over horisonten
Selv om det kommende James Webb romteleskopet vil kunne presisere tidlige galakser med utmerket presisjon og tilby et vell av data om det tidlige universet, vil ikke teleskopets trange synsfelt gi oss hele bildet av denne epoken. Forskere håper at noen av de tidligste galaksene kan inneholde rester av de aller første stjernene - eller til og med stjernene selv - men vi må vente og (bokstavelig talt) se.
Den andre måten å låse opp den kosmiske daggryet er gjennom et overraskende skjem av nøytralt hydrogen. Når kvantespinnene til elektronet og protonen vipper tilfeldig, avgir hydrogen stråling med en veldig spesifikk bølgelengde: 21 centimeter. Denne strålingen gjør det mulig for oss å kartlegge lommer med nøytralt hydrogen i vår moderne melkevei, men de ekstreme avstandene til den kosmiske daggry-æraen utgjør en helt annen utfordring.
Problemet er at universet har utvidet seg siden den langdøde epoken, som får all intergalaktisk stråling til å strekke seg til lengre bølgelengder. I dag har det uregelmessige nøytrale hydrogensignalet en bølgelengde på rundt 2 meter, og plasserer signalet godt i radiobåndene. Og mange andre ting i universet - supernovaer, galaktiske magnetfelt, satellitter - er ganske høye på de samme frekvensene, og skjuver det svake signalet fra universets første år.
Det er flere oppdrag over hele kloden som prøver å hente seg inn i det saftige kosmiske daggryssignalet, grave frem det primære hvisket fra dagens kakofoni og avsløre de første stjerners fødsel. Men foreløpig må vi bare vente og lytte.
Lær mer ved å lytte til episoden "Hva vekket den kosmiske daggry?" på Ask A Spaceman-podcasten, tilgjengelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Takk til Joyce S. for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @ PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg oss @Spacedotcom, Facebook og Google+. Originalartikkel på Space.com.
