Почему недостаточно сказать «да будет свет»

Наблюдайте красоту жизни. Смотрите на звёзды и на то, как вы бежите вместе с ними.
— Марк Аврелий

Представьте себе знакомое вам ночное небо. Вдалеке от городов в безлунную ночь, в самых тёмных из виденных вами мест. Будто вы ложитесь на траву, и смотрите на небеса. Вы смотрите вверх, воздух прохладен, и небеса чисты: никаких туч не видно.

Что вы увидите?



Планеты, звёзды, яркие и тусклые, и даже Млечный путь. Но, возможно, самое удивительное в ночном небе, это не присутствие нескольких разбросанных огоньков, но то, что почти в любом направлении небо тёмное.

Если задуматься об этом, то в происходящем довольно мало смысла.



Если бы во Вселенной было очень-очень много звёзд – источников света во всех направлениях – можно было бы ожидать, что везде, куда бы вы ни посмотрели, ваша линия взгляда встретила бы звезду.

А раз так, никакой темноты вы бы не заметили. Каждая точка была бы наполнена светом, неважно, насколько далеко эта звезда, галактика или иной источник света находится.



Это был один из величайших парадоксов XIX века: парадокс Олберса, показавший, что идея о бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звёзд, размещённых по всему космосу, была несовместима с темнотой ночного неба.

Решение этого парадокса, конечно, в том, что когда мы смотрим на удалённые части Вселенной, мы смотрим в прошлое. Поскольку Вселенная существовала в горячем, плотном и более однородном раннем состоянии, был момент, до которого во Вселенной не было никаких звёзд, так как гравитации понадобилось время, чтобы впервые собрать изначальный газ в звёзды. Если заглянуть на достаточно большое расстояние, то там не будет видно ни одной звезды.



После Большого взрыва Вселенная была горячей, плотной и однородной, а также она расширялась и остывала. К возрасту в 380 000 лет она остыла достаточно для того, чтобы впервые сформировались нейтральные атомы. Но для того, чтобы что-либо увидеть, есть два препятствия:
1. Не на что смотреть, пока мы не создадим источники света.
2. И даже после этого Вселенной нужно стать прозрачной.

И хотя две эти проблемы – формирование первых звёзд и приобретение Вселенной прозрачности – обычно объединяют под названием «тёмных веков», это две отдельные проблемы, которые Вселенной необходимо решить.



Во-первых, до формирования первых звёзд вам просто не на что смотреть. И хотя Вселенная изначально была почти однородной, существовали небольшие несовершенства, например, районы, в которых материи было чуть больше среднего. Со временем гравитация стягивала всё больше материи в районы повышенной плотности, и они вырастали в комки материи.

Через десятки миллиардов лет эти комки выросли достаточно, чтобы начать коллапсировать под собственной тяжестью. И когда ядра этих комочков из атомов и молекул достаточно уплотняются, процесс ядерного синтеза – сжигания водорода и превращения его в гелий – наконец начинается!



Эти места ядерного синтеза становятся ядрами самых первых звёзд во Вселенной, ярко горящими, и испускающими первый видимый свет с одного из ранних периодов Большого взрыва.

Происходит это всего через 50 миллионов лет после рождения Вселенной, что кажется очень кратким промежутком для звёзд. Но есть проблема: ни одна из этих звёзд нам не видна!



Конечно, эти звёзды испускают свет, точно так же, как звёзды за «тёмной туманностью» выше, Барнард 68. Она выглядит такой тёмной, потому что блокирует свет звёзд. Почему? Потому что атомы и молекулы, существующие в ней, по размеру как раз такие, чтобы они могли поглощать видимый свет.

Хотя у отдельных атомов есть определённые переходы, на которых они могут поглощать свет, будучи связанными в хитрые конфигурации, они способны блокировать весь спектр видимого света. Именно такая непрозрачность и образовалась во Вселенной во время появления первых звёзд: свет создавался, но до наших глаз он дойти не сможет.

И как же нам быть?



Нам нужно ионизировать эти атомы. Точнее, реионизировать, поскольку раньше они уже были ионизированными: до того, как стали нейтральными.

Но это не быстрый процесс: он требует, чтобы появились миллиарды миллиардов звёзд, испустили ионизирующее ультрафиолетовое излучение, и столкнулось более с чем 99% нейтральных атомов во Вселенной. Это процесс постепенный, и на его завершение требуется около 550 миллионов лет!



До недавнего времени считалось, что реионизация – последняя фаза процесса обретения Вселенной прозрачности – случилась через 450 миллионов лет после Большого взрыва, но этот дополнительный фактор в 100 миллионов лет был определён недавними наблюдениями спутника Планк.

Но это не значит, что самые ранние звёзды Вселенной сформировались на 100 миллионов лет позже, чем мы думали – как это представляют некоторые авторы.



Это значит, что самые первые звёзды сформировались гораздо раньше, чем мы могли их увидеть, и что их получилось мало – и они недостаточно долго горели и были недостаточно горячими – для того, чтобы реионизировать Вселенную и сделать её прозрачной ранее, чем через 100 миллионов лет.



Недостаточно просто сказать «да будет свет», чтобы увидеть первые звёзды: нужно, чтобы этот свет мог беспрепятственно перемещаться в пространстве!

В видимом спектре их не увидеть. Неважно, насколько хорош телескоп им. Хаббла, как долго он вглядывается в эти участки неба, он никогда не заглянет в прошлое так далеко, чтобы увидеть первые звёзды, поскольку тогда Вселенная была непрозрачной для видимого света.

Но надежда есть, и у космического телескопа Джеймса Уэбба будет потенциал, чтобы превратить эту мечту в реальность.



Если смотреть в более длинных волнах, эти пыльные конструкции из атомов и молекул могут быть для них прозрачными. И даже если Хаббл не увидит эти звёзды, Джеймс Уэбб, смотрящий в инфракрасном (и довольно дальнем) диапазоне, сможет заглянуть в прошлое до тех времён, когда Вселенная была непрозрачной для видимого света.

Иными словами, всего лишь через несколько лет мы, возможно, сумеем изучить самые первые звёзды Вселенной, а не только то, что случилось через сотни миллионов лет, когда Вселенная стала прозрачной для видимого света. Пока что первые звёзды Вселенной могут быть невидимыми, но проблема заключается в наших глазах, а не в свете!