Visatos pirmosios šviesos atskleidimas: nauja eros kosmologijoje pradžia

Visatos pirmosios šviesos atskleidimas: naujasis kosmologijos etapas

Jau dešimtmečius vienas didžiausių kosmologijos klausimų sukosi apie tai, kas įvyko pačiomis pirmosiomis akimirkomis po Didžiojo sprogimo – laikotarpiu, kai visata perėjo iš tamsios, beformės erdvės į žvaigždžių pilną lopšį. Šis paslaptingas etapas, vadinamas kosmine aušra, žymi pirmųjų žvaigždžių ir juodųjų skylių gimimą, tačiau dėl labai silpnos šviesos bei tiesioginių stebėjimų stokos, jo detalės ilgą laiką išliko neatskleistos.

Tačiau neseniai pasiekta proveržinė pažanga žada neįtikėtinai gilų žvilgsnį į šį formavimosi etapą. Tarptautinė astronomų komanda, kurios tyrimas publikuojamas žurnale Nature Astronomy, praneša, kad dabar esame arti esminio proveržio – pavyks iššifruoti pirminį radijo signalą, sklidusį maždaug po 100 mln. metų nuo Didžiojo sprogimo. Šis unikalus signalas, žinomas kaip „21 centimetro linija“, atskleidžia specifinę informaciją apie sąlygas, vyravusias tada, kai visatos pirmosios žvaigždės – vadinamosios trečiosios populiacijos žvaigždės (Population III) – ėmė skleisti šviesą.

Moksliniai pagrindai: kas yra 21 centimetro signalas?

Šio atradimo esmė – 21 centimetro signalas, tai tam tikro ilgio radijo bangų emisija, susidaranti dėl neutralių vandenilio atomų. Po Didžiojo sprogimo suformuoto „ugnies kamuolio“ atvėsimo visatoje dominavo būtent šie neutralūs vandenilio atomai, sudaryti iš protono ir elektrono.

Įsižiebus pirmosioms žvaigždėms, jų skleidžiama energija išskyrė didelio energingumo fotonus, galinčius reionizuoti aplink esantį vandenilį. Šio proceso metu sklido ir būdinga 21 centimetro spinduliuotė, kuri tapo svarbiu kosminiu žymekliu – ji leidžia nagrinėti, kada ir kaip atsirado pirmosios žvaigždės bei galaktikos. Signalų dekodavimas gali tapti universaliu „raktu“, leidžiančiu suprasti visatos ankstyvuosius skyrius, atskleisti fizines pirmųjų žvaigždžių savybes, tokias kaip masė ar šviesis.

Inovatyvūs instrumentai ir technologinės ribos

Norėdami aptikti šiuos silpnus, iš tolimos praeities atsklindančius signalus, astronomai pasitelkia pažangiausias radijo observatorijas. Šiuo metu priešakyje yra du projektai:

• Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) – teleskopas, šiuo metu derinamas itin tiksliai, siekia aptikti silpnus senovinio vandenilio signalus.
• Square Kilometer Array (SKA) – milžiniškas tarptautinis radijo teleskopas, statomas Australijoje, kuris leis itin detaliai žemėlapiuoti kosminę aušrą.

Šių tyrimų grupės sukūrė išsamius modelius, padedančius išgauti informaciją apie pirmųjų visatos žvaigždžių mases iš 21 centimetro signalo. Ši analizė itin svarbi tyrinėjant pirmapradę žvaigždžių, sudarytų beveik vien tik iš vandenilio ir helio, populiaciją.

Pagrindiniai atradimai: Rentgeno dvinarės sistemos ankstyvojoje visatoje

Viena svarbiausių naujųjų modelių išvadų – iki šiol per mažai įvertintas rentgeno dvinarių žvaigždžių vaidmuo ankstyvoje visatoje. Tai labai energingos sistemos, kuriose kompaktiškas objektas – juodoji skylė ar neutroninė žvaigždė – siurbia medžiagą iš kitos žvaigždės, sukeldamas intensyvią rentgeno spinduliuotę.

„Mūsų tyrimas pirmą kartą nuosekliai modeliavo, kaip 21 centimetro signalas priklauso nuo pirmųjų žvaigždžių masių, įvertinant ir ultravioletinę žvaigždžių šviesą, ir rentgeno dvinarėmis sistemomis išsiskiriančius spindulius“, aiškina daktarė Anastasia Fialkov, bendroautorė ir astrofizikė iš Kembridžo universiteto. Atliktos kosmologinės simuliacijos parodė, kad rentgeno dvinarės sistemos ankstyvojoje visatoje tikriausiai buvo šviesesnės ir dažnesnės nei manyta, o tai stipriai veikė dabartinį pasaulinį 21 cm signalą.

Šis įžvalga keičia ankstesnius lūkesčius, kaip pirmosios žvaigždės paveikė aplinką, paversdamos tamsią ir ramią visatą į gyvybingą ir nuolat besikeičiančių dangaus reiškinių sceną.

Radijo astronomijos pažanga ir ateities perspektyvos

Dėl šių naujovių radijo astronomija sparčiai tobulėja – atsiveria nauji „mažo paviršiaus ryškumo“ visatos regionai, kurių nepasiekia optiniai teleskopai. Netrukus, gavus naujų duomenų iš REACH bei Square Kilometer Array, tikimasi iš esmės praplėsti žinias apie kosminę aušrą ir patikrinti pagrindines teorijas apie tai, kaip atsirado pirmoji visatos šviesa – šis procesas vėliau nulėmė galaktikų, planetų ir gyvybės susidarymą.

Dar vienas Kembridžo astrofizikas, REACH projekto vadovas Eloy de Lera Acedo, pabrėžia: „Kuriami prognoziniai modeliai turi itin didelę reikšmę norint suprasti, kokios iš tiesų buvo pačios pirmosios žvaigždės. Modernūs radijo teleskopai leidžia nustatyti jų mases ir rodo, kad tie pirmykščiai dangaus kūnai galėjo smarkiai skirtis nuo žvaigždžių, kurias matome šiandieninėje visatoje.“

Išvados

Pažangūs radijo teleskopai, novatoriški duomenų modeliai ir tarptautinis bendradarbiavimas leidžia astronomams atskleisti ilgai saugotas 21 centimetro linijos paslaptis. Žengiame ties riba, kai bus galima atsakyti į seniausius klausimus: kaip tamsą pakeitė šviesa ir kokios iš tikrųjų buvo pirmosios visatos žvaigždės? Artimiausiais metais tikimasi iš pagrindų nušviesti kosminės aušros epochą, kuri lemia viską, ką šiandien stebime visatoje.