Чому одного «так буде світло!» У Всесвіті недостатньо? «Погляньте на красу життя. Погляньте на зірки і ви побачите Людського, як самі біжите з ними», – говорив Марк Аврелій. Уявіть собі нічне небо. Далеко від міст, в безмісячну ніч, в найтемніших місцях, в яких ви коли-небудь бували. Може бути, ви лягали на траву і дивилися в небо. Повітря прохолодний, небо чисте, ніяких хмар, і ви дивитеся вгору.

Що ви бачите?

Там планети, яскраві і тьмяні зірки, і навіть Чумацький Шлях, який можна побачити периферичним зором, якщо дивитися трохи в сторону. Але найцікавіше в нічному небі не присутні цих небагатьох тьмяних вогників, а скоріше той факт, що практично в будь-якій точці, в яку ви дивитеся, небо саме по собі темне.

Якщо ви подумаєте про це хвилинку, то це здасться дивним. Якщо Всесвіт насправді сповнена зірок – точок світла у всіх напрямках – то ви б повною мірою розраховували, що куди не глянь, зрештою ваша лінія погляду потрапить на зірку.

Як думають генії про космос: 12 правил життя Стівена Хокінга

І як тільки це станеться, ви більше не будете бачити «темряву» на небі. Кожна точка наповниться світлом, незалежно від того, як далеко знаходиться зірка, галактика або інша точка світла.

Це один з найбільших парадоксів 19 століття: фотометричний парадокс, або парадокс Ольберса, який показав, що ідея нескінченного Всесвіту, наповненою нескінченною кількістю зірок, несумісна з темним нічним небом, яке ми всі можемо спостерігати.

Дозвіл цього парадоксу, звичайно, полягає в тому, що коли ми дивимося на далеку Всесвіт, ми дивимося назад у часі, і коли Всесвіт існував в гарячому, щільному, більш однорідному стані, був час, коли не було ніяких зірок. Якщо дивитися далі певної точки, ви ніколи не побачите жодної зірки.

Після Великого Вибуху Всесвіт був гарячою, щільною і однорідною, але також розширювалася і остигала. До того часу, як їй стукнуло 380 000 років, вона охолола достатньо, щоб утворити нейтральні атоми в перший раз. Але є дві перешкоди, які дозволяють нам щось побачити:

Поки немає нічого, що випромінює світло, дивитися нема на що.

Всесвіту потрібно бути прозорою.

Хоча ці дві проблеми – утворення перших зірок і прозорість Всесвіту – нерідко об’єднуються як «темні століття», вони залишаються двома окремими проблемами, які потрібно вирішити.

По-перше, вам не на що буде дивитися, поки ви не сформуєте перші зірки. У ті часи, коли Всесвіт почала майже з ідеальною однорідної форми, виникли крихітні недосконалості, деякі області почали з великою кількістю матерії, ніж інші. З часом гравітація стягувала в ці надщільні регіони більше і більше речовини, тим самим вирощуючи в них згустки матерії.

Знадобилися десятки мільйонів років, але коли пройшло достатньо часу, ці згустки виросли досить великими, щоб гравітація привела до їх колапсу. І коли ядра цих згустків атомів і молекул стали досить щільними, почався процес термоядерного синтезу – спалювання водневого палива в гелій.

Ці місця термоядерного синтезу стали ядрами перших зірок у Всесвіті, гарячих і яскравих, та випромінювальних перший видиме світло у Всесвіті з моменту перших стадій гарячого Великого Вибуху. Це відбулося через 50 мільйонів років від початку історії Всесвіту, і це досить короткий час для перших зірок.

Проблема в тому, що ми не бачимо жодної з цих зірок.

 

Ми знаємо, що зірки випромінюють світло, але точно так само його випромінюють зірки «темної туманності» Barnard 68. Ця туманність виявляється темною, оскільки атоми і молекули в туманності фізично поглинають видиме – і, отже, є непрозорими.

Хоча поодинокі атоми володіють тільки певними атомними переходами, які можуть поглинати світло, коли вони пов’язані разом усіма видами складних конфігурацій, вони можуть блокувати весь спектр видимого світла. Цей тип непрозорості утворився, коли з’явилися перші зірки: Всесвіт, може бути, і породила світло, але він не знайшов шляху до наших очей.

Що нам з цим робити?

Потрібно іонізувати ці атоми? Або, якщо точніше, реіонізіровать, оскільки вони вже одного разу були іонізовані: ще перед тим, як стали нейтральними.

Правда, цей процес займе багато часу та участі мільярдів зірок, які утворюються, випустять ультрафіолетове іонізуюче випромінювання і потраплять по більше 99% нейтральних атомів Всесвіту. Це поступовий процес, але на його завершення буде потрібно 550 мільйонів років.

Донедавна ми думали, що реіонізаціі – ця остання фаза Всесвіту, яка зробить її прозорою для видимого світла – сталася 450 мільйонів років після Великого Вибуху, але додатковий фактор у вигляді 100 мільйонів років був визначений останніми спостереженнями супутника Планка.

Це, в свою чергу, не означає, що найстаріші зірки Всесвіту утворилися через 100 мільйонів років, ніж ми припускали раніше. Це означає, що перші зірки утворилися набагато, набагато раніше, ніж ми можемо спостерігати, і у нас утворилося недостатньо зірок – і вони прожили недостатньо довго – щоб реіонізіровать Всесвіт і зробити її прозорою для світла. У Всесвіті просто недостатньо було сказати «так буде світло!», Щоб побачити перші зірки: це світло повинен бути в змозі вільно проходити через космос.

Немає ніякого способу побачити їх у видимому спектрі, незалежно від того, наскільки хороший космічний телескоп Хаббл, незалежно від того, як довго він дивиться на ці ділянки неба, він ніколи не побачить перші зірки, тому що Всесвіт все ще непрозора для видимого світла .

Але надія є, і космічний телескоп Джеймса Вебба володіє потенціалом втілити цю надію на реальність.

Якщо спостерігати за довгохвильовим світлом, ці пилові будови атомів і молекул цілком можуть бути прозорі для цих довжин хвиль. Хоча Хаббл може ніколи не побачити ці зірки, Джеймс Вебб буде вдивлятися в інфрачервоні (і досить довгі) хвилі і зможе відстежити їхній шлях до тих епох, коли Всесвіт був прозора для видимого світла.

Іншими словами, всього через кілька років ми зможемо по-справжньому досліджувати перші зірки Всесвіту. Можливо, вони невидимі для нас, але це вина наших очей, а не світла.