Díky nejmodernějším dalekohledům dnes astronomové mohou vidět, jak objekty vypadaly před 13 miliardami let, tedy zhruba 800 milionů let po velkém třesku. Bohužel se jim stále nedaří prorazit závoj vesmíru Temné věky , období, které trvalo od 370 000 do 1 miliardy let po velkém třesku, kdy byl vesmír zahalen neutrálním vodíkem zatemňujícím světlo. Z tohoto důvodu naše dalekohledy nevidí, kdy se vytvořily první hvězdy a galaxie – asi 100 až 500 milionů let po velkém třesku.
Toto období je známé jako Kosmický úsvit a představuje pro astronomy „konečnou hranici“ kosmologických průzkumů. Letos v listopadu příští generace NASA Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) konečně odstartuje do vesmíru. Díky své citlivosti a pokročilé infračervené optice,Webbbude první observatoří, která bude svědkem zrodu galaxií. Podle a nové studium z Université de Genève, Švýcarsko, schopnost vidět Kosmický úsvit poskytne odpovědi na největší kosmologické záhady současnosti.
Výzkum vedl Dr. Hamsa Padmanabhan, teoretický fyzik a Collaboratrice Scientifique II na Université de Genève. Je také hlavní řešitelkou Švýcarské národní vědecké nadace (SNSF) a příjemcem ceny za rok 2017 Ambice Grant (finance na výzkum udělovaná SNSF) za její nezávislý projekt s názvem' Sondování vesmíru: prostřednictvím reionizace a dále .'
Diagram vývoje pozorovatelného vesmíru. Poděkování: NASA/Cherkash
Pro dnešní astronomy a kosmology představuje schopnost pozorovat Kosmický úsvit příležitost odpovědět na ty nejtrvalejší vesmírné záhady. Zatímco nejranější světlo ve vesmíru je dnes stále viditelné jako kosmické mikrovlnné pozadí (CMB), to, co následovalo krátce poté (a až asi 1 miliardu let po velkém třesku), bylo historicky pro naše nejpokročilejší přístroje neviditelné.
To udrželo vědecké mysli v temnotě (bez slovní hříčky!) v několika důležitých kosmologických záležitostech. Nejen, že se první hvězdy a galaxie vytvořily během „doby temna“ a postupně přinášely světlo do vesmíru, bylo to také v této době, kdy došlo k „kosmické reionizaci“. V tomto přechodném období se předpokládá, že téměř všechen neutrální plyn, který pronikl vesmírem, se změnil na protony a elektrony (neboli baryony), které tvoří veškerou „normální“ hmotu.
Bohužel astronomové nebyli schopni toto období kosmické historie studovat. Velká část problému pramení z toho, jak se světlo z této epochy posunulo do červena do bodu, kdy je viditelné v části rádiového spektra, které je pro moderní přístroje nedostupné (tzv. 21 cm přechodová čára ). Ale jak Dr. Padmanabhan vysvětlil Universe Today prostřednictvím e-mailu, toto není jediná překážka pro studium raného vesmíru:
„Toto období nám dosud v pozorování unikalo kvůli vysoké úrovni citlivosti potřebné k detekci emise v kombinaci s výzvou detekce extrémně slabého signálu (který pochází z vodíkového plynu přítomného v raném vesmíru) v přítomnost emise v popředí (většinou z naší vlastní galaxie), která je asi o 4-5 řádů větší než signál, který chceme měřit.“
Vizualizovaný kosmologický model LCDM. Kredit: Alex Mittelmann/Wikipedia Commons
Studiem nejstarších hvězd a galaxií ve formaci budou astronomové schopni vidět, odkud pochází 90 % baryonové (neboli „světelné“ nebo „normální“) hmoty ve vesmíru a jak se vyvinula do rozsáhlých kosmických struktur, které viz dnes. Schopnost modelovat, jak se vesmír vyvíjel od tohoto období do dneška, také představuje příležitost přímo vidět vliv temné hmoty a temné energie.
Z toho vědci vyhodnotí různé kosmologické modely, z nichž nejrozšířenější je model Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). Řekl Dr. Padmanabhan:
„Přístup k této epoše také představuje obrovský skok v našem kosmologickém informačním obsahu. Je to proto, že obsahuje alespoň 10000-100000krát více informací, než je v současnosti k dispozici ze všech našich dosavadních průzkumů galaxií, a také toho, co získáváme z záření kosmického mikrovlnného pozadí (CMB). Je to v podstatě největší datový soubor, jaký jsme kdy mohli mít pro testování našich modelů fyziky! Můžeme prozkoumat řadu fascinujících fyzikálních modelů nad rámec našeho standardního modelu kosmologie.“
Patří mezi ně modely, které zahrnují nestandardní verze temné hmoty (tj. „teplá temná hmota“), upravené verze gravitace a inflační teorie, které nezahrnují temnou energii – modifikovanou newtonovskou dynamiku (MOND). Vědci budou v podstatě schopni vidět gravitaci a expanzi vesmíru od okamžiku, kdy to všechno začalo (několik biliontin sekundy po velkém třesku). Po celá léta astronomická komunita netrpělivě čekala na den, kdy seJames Webbkonečně vyletí do vesmíru.
Umělecký dojem z vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST). Kredit: NASA
Velká část jejich vzrušení pramení ze skutečnosti, že pokročilá infračervená optika a vysoká citlivost observatoře jí umožní pozorovat nejranější galaxie, když byly ještě ve formaci. Obvykle by světlo z galaxií bylo zakryto veškerým mezihvězdným a mezigalaktickým prachem a plynem, který leží mezi nimi a Zemí. Spolu se stávajícími přístroji a přístroji nové generace, říká Dr. Padmanabhan, budou tyto galaxie vůbec poprvé pozorovatelné:
'Mise jako JWST budou schopny detekovat extrémně slabé galaxie, které vznikly, když byl vesmír jen desetinou své současné velikosti.' V kombinaci s rádiovými průzkumy jako [ Pole čtverečních kilometrů ] SKA, to nám poskytne ucelený obraz o prvních světelných zdrojích a jejich vývoji v kosmickém čase. JWST poskytuje hloubkové průzkumy podobné „tužkovým paprskům“, jejichž celkové zorné pole je v řádu několika čtverečních úhlových minut, takže nezpřístupní kosmologické měřítka, ale výrazně zlepší naše chápání fyzikálních procesů, které přispěly k reionizaci.
'ALMA nyní běžně detekuje galaxie v jejich submilimetrové liniové emisi, jako je jednoduše ionizovaný uhlík [CII] a dvojitě ionizovaný kyslík [OIII], což jsou obě velmi zajímavé sondy reionizace. Nadcházející experiment COMAP-Epoch of Reionization, jehož jsem součástí plánů na zpřístupnění emisí oxidu uhelnatého (CO) kolem středních až konečných fází reionizace, což je vynikající indikátor tvorby hvězd. Popředí není pro submilimetrové čáry tak vážným problémem.“
Toto je známé jako multi-messenger přístup, kde se kombinují světelné signály z různých přístrojů a na různých vlnových délkách. Při aplikaci na Kosmický úsvit, říká Dr. Padmanabhan, je tento přístup nejslibnějším nástrojem k získání vhledů do vesmíru. Konkrétně detekce gravitačních vln z prvních supermasivních černých děr odhalí, jak tyto prapůvodní síly přírody ovlivnily galaktickou evoluci.
Ilustrace ukazující časovou osu vesmíru. Poděkování: NASA/ESA/A. Feild (STScI)
'Kombinací toho se znalostmi o tom, jak se plyn a galaxie vyvíjejí, které získáváme elektromagnetickými průzkumy, získáme ucelený obrázek o Cosmic Dawn,' řekla. 'Bude to klíčové při zodpovězení význačné otázky v kosmologii a astrofyzice: jak vznikly první černé díry a jaký byl jejich příspěvek k reionizaci?'
Potenciál uspořádat kampaně s více posly, které kombinují vysoce citlivé infračervené signály s rádiovými signály, je jedním z mnoha způsobů, jak astronomie tak rychle postupuje. Kromě důmyslnějších přístrojů budou astronomové těžit také z vylepšených metod, důmyslnějších technik strojového učení a příležitostí pro výzkum a spolupráci.
V neposlední řadě schopnost kombinovat signály z různých polí (a na různých vlnových délkách elektromagnetické energie) již vytvořila nové příležitosti pro sofistikované zobrazovací kampaně. Dobrým příkladem toho je projekt Event Horizon Telescope (EHT), který spoléhá na 10 radioteleskopů po celém světě, které shromažďují světlo z SMBH (jako je náš vlastní Střelec A* ). V roce 2019 pořídil EHT první snímek SMBH; v tomto případě ten umístěný v jádru M87 (veliká eliptická galaxie Panna A).
Příležitostí k provádění převratného výzkumu bude v blízké budoucnosti spousta a objevy, které budeme dělat, nebudou nic menšího než revoluční. I když se na cestě jistě objeví nějaké škytavky a další záhady k vyřešení, jedna věc je jistá: budoucnost astronomie bude velmi vzrušující dobou!
Další čtení: arXiv
