Når tiden løber fra højre til venstre, viser denne visualisering dannelsen af de første stjerner ud af en uklarhed af neutralt brint efter universets kosmiske daggry.
(Billede: © NASA / STScI)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og chefforsker ved COSI videnskabscenter. Sutter er også vært for Ask a Spaceman og Space Radio og fører AstroTours rundt om i verden. Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Den største åbenbaring i de sidste hundrede år med at studere universet er måske, at vores hjem ændrer sig og udvikler sig med tiden. Og ikke kun på mindre, ubetydelige måder som stjerner, der bevæger sig rundt, gasskyer komprimerer og massive stjerner, der dør i kataklysmiske eksplosioner. Nej, hele vores kosmos har ændret dets grundlæggende karakter mere end én gang i den fjerne fortid og fuldstændigt ændret sin indre tilstand i en global - dvs. universel - skala.
Tag for eksempel det faktum, at der på et tidspunkt i den tåge, dårligt huskede fortid ikke var nogen stjerner.
Før det første lys
Vi kender denne enkle kendsgerning på grund af eksistensen af den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB), et bad med svag, men vedvarende stråling, der blødgør hele universet. Hvis du støder på en tilfældig foton (lidt lys), er der en god chance for, at det er fra CMB - at lyset optager mere end 99,99 procent af al stråling i universet. Det er en rester relikvie fra da universet bare var 270.000 år gammelt og overgik fra et varmt, rystende plasma til en neutral suppe (uden positiv eller negativ ladning). Denne overgang frigav hvid-varm stråling, der i løbet af 13,8 milliarder år blev afkølet og strækket ned i mikrobølgerne, hvilket gav os det baggrundslys, som vi kan registrere i dag. [Kosmisk mikrobølgeovnbaggrund: Big Bang Relic Explained (Infographic)]
På tidspunktet for frigivelsen af CMB var universet omkring en milliondel af dets nuværende volumen og tusinder af varmere grader. Det var også næsten helt ensartet, med forskelle i densitet ikke større end 1 del i 100.000.
Så ikke en tilstand, hvor stjerner heldigvis kunne eksistere.
De mørke tider
I millioner af år efter frigivelsen af CMB (kærligt kendt som "rekombination" i astronomikredse på grund af en historisk misforståelse af endnu tidligere epoker) var universet i en underlig tilstand. Der var et vedvarende bad med hvid-varm stråling, men denne stråling afkøledes hurtigt, da universet fortsatte sin ubønnhørlige ekspansion. Der var selvfølgelig mørk stof, der hang med at tænke på sin egen forretning. Og der var den nu neutrale gas, næsten udelukkende brint og helium, der endelig blev frigivet fra sin kamp med stråling og fri til at gøre som den ville.
Og hvad det glade for at gøre, var at hænge ud med så meget af sig selv som muligt. Heldigvis behøvede det ikke at arbejde meget hårdt: I det overordentlig tidlige univers forstørrede mikroskopiske kvanteudsving til at blive blot små forskelle i densitet (og hvorfor det skete er en historie for en anden dag). Disse små tæthedsforskelle påvirkede ikke den større kosmologiske ekspansion, men de påvirkede livet for det neutrale brint. Enhver plaster, der var lidt tættere end gennemsnittet - selv ved en lille bittesmå bit - havde et lidt stærkere tyngdepunkt på sine naboer. Den forbedrede træk opmuntrede til mere gas til at deltage i festen, hvilket forstærket tyngdepunktstrækket, hvilket opmuntrede endnu flere naboer og så videre.
Ligesom høj musik på en husfest, der fungerer som en sirene-sang for at opmuntre flere afslørere, i løbet af millioner af år blev den rige gas rigere, og den fattige gas blev fattigere. Gennem simpel tyngdekraft voksede små tæthedsforskelle op ved at bygge de første massive agglomerationer af stof og tømme deres omgivelser.
Den "kosmiske daggry" går i stykker
Et eller andet sted, et sted, var en del af neutralt brint heldig. Ved at stable lag på overvældende lag på sig selv nåede den inderste kerne en kritisk temperatur og densitet, og tvang atomkernerne sammen i et kompliceret mønster, antændte i nuklear fusion og omdannede råmaterialet til helium. Den ildfulde proces frigav også en lille smule energi, og med en glimt blev den første stjerne født.
For første gang siden de første snes minutter af Big Bang fandt der sted nukleare reaktioner i vores univers. Nye lyskilder, der prikkede kosmos, oversvømte de engang tomme hulrum med stråling. Men vi er ikke helt sikre på, hvornår denne betydningsfulde begivenhed fandt sted; observationer af denne epoke er meget vanskelige. For det første forhindrer de enorme kosmologiske afstande endda vores mest kraftfulde teleskoper i at observere det første lys. Det, der gør det værre, er, at det tidlige univers næsten helt var neutralt, og neutral gas udsender ikke meget lys i første omgang. Det er ikke før flere generationer af stjerner limer sig sammen for at danne galakser, som vi endda kan få et svagt antydning til denne vigtige tidsalder.
Vi har mistanke om, at de første stjerner dannede et sted inden for de første par hundrede millioner år af universet. Det er ikke meget senere, at vi har direkte observationer af galakser, aktive galaktiske kerner og endda begyndelsen på klynger af galakser - de mest massive strukturer, der til sidst opstår i universet. En gang før dem måtte de første stjerner ankomme, men ikke for tidligt, fordi de hektiske forhold i spædbarnsuniverset ville have forhindret deres dannelse.
Over horisonten
Selvom det kommende James Webb-rumteleskop vil kunne identificere tidlige galakser med fremragende præcision og tilbyde et væld af data om det tidlige univers, giver teleskopets smalle synsfelt ikke os hele billedet af denne æra. Forskere håber, at nogle af de tidligste galakser kan indeholde rester af de allerførste stjerner - eller endda stjernerne selv - men vi bliver nødt til at vente og (bogstaveligt talt) se.
Den anden måde at låse den kosmiske daggry op er gennem et overraskende skæve neutralt brint. Når kvantespins på elektronet og protonen vippes tilfældigt, udsender brinten stråling med en meget specifik bølgelængde: 21 centimeter. Denne stråling giver os mulighed for at kortlægge lommer med neutralt brint i vores moderne Mælkevej, men de ekstreme afstande til den kosmiske daggry-æra udgør en helt anden udfordring.
Problemet er, at universet har udvidet sig siden den langdøde æra, der får al intergalaktisk stråling til at strække sig ud til længere bølgelængder. I dag har dette uregelmæssige neutrale hydrogensignal en bølgelængde på omkring 2 meter, hvilket placerer signalet godt i radiobåndene. Og mange andre ting i universet - supernovaer, galaktiske magnetfelter, satellitter - er ret høje på de samme frekvenser, og skjuler det svage signal fra universets tidlige år.
Der er adskillige missioner over hele kloden, der forsøger at komme hjem på det saftige kosmiske daggryssignal, grave frem det oprindelige hvisken fra nutidens kakofoni og afsløre de første stjerners fødsel. Men indtil videre bliver vi nødt til at vente og lytte.
Lær mere ved at lytte til episoden "Hvad vækkede den kosmiske daggry?" på Ask A Spaceman-podcast, tilgængelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Tak til Joyce S. for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @ PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg os @ Spacedotcom, Facebook og Google+. Original artikel på Space.com.
