Protogwiazdy i kres epoki ciemności
4 sierpień 2008
Spoglądając w niebo w bezchmurną noc możemy zobaczyć niezliczone świetlne punkciki – gwiazdy, do których obecności nad naszymi głowami jesteśmy przyzwyczajeni i których obecność wydaje nam się tak naturalna, że nie zastanawiamy się nad ich pochodzeniem. Astrofizycy jednak starają się zrozumieć jak najwięcej fascynujących tajemnic, związanych z tymi obiektami, poznać sposób w jaki powstają, w jaki ewoluują i w końcu zmierzają do nieuchronnej śmierci. O ile te aspekty gwiazd we współczesnym Wszechświecie są już nam względnie dobrze znane (choć ciągle sporo niejasnych punktów istnieje), to niemal absolutną tajemnicą jest sposób, w jaki formowały się pierwsze gwiazdy Wszechświata.
Wynika to między innymi z prostego faktu, że dochodziło do tego w początkowej fazie istnienia Kosmosu, w czasach, które są niedostępne dla naszych obserwacji, gdyż światło ówczesnych obiektów jest o wiele za słabe, by moglibyśmy je zarejestrować obecnie. Nie mamy więc możliwości zobaczyć, jak wyglądać mogły pierwotne gwiazdy, rozświetlające po raz pierwszy ciemność Kosmosu. Dzięki jednak gwałtownie rozwijającym się technikom obliczeniowym możemy tworzyć takie gwiazdy w trzewiach superkomputerów, badając w jaki sposób z pierwotnych zagęszczeń materii w dziecięcym Wszechświecie powstawały pierwsze “pochodnie” w mroku.
Przełomową, jak się zdaje, symulację stworzył ostatnio zespół astrofizyków z Japonii i Stanów Zjednoczonych, kierowany przez Naoki Yoshidę z Uniwersytetu Nagoya (Nagoya, Japonia) i Larsa Hernquista z Harvard University (Cambridge, USA). Zanim jednak opowiem więcej o samej symulacji, warto napisać w kilku zdaniach o warunkach, w jakich owe pierwsze gwiazdy powstawać musiały.
Po Wielkim Wybuchu, niespełna 14 miliardów lat temu, Wszechświat był niezwykle jednorodną “zupą” energii przemieniającej się w materię i odwrotnie, nieprzejrzystą “mgłą”, w której fotony nie mogły swobodnie podróżować, zderzając się nieustannie z elektronami. W miarę schładzania się Wszechświata energia swobodnych elektronów malała, by w mniej więcej po 380 tysiącach lat doprowadzić do powstania pierwszych atomów – elektrony zostały uwięzione w powstałych wówczas chmurach wodoru i helu, ze znikomą domieszką litu. Po raz pierwszy też w tym momencie Wszechświat stał się przezroczysty dla światła – fotony wreszcie mogły podróżować swobodnie na większe odległości, te same fotony obserwujemy też obecnie w tzw. mikrofalowym promieniowaniu tła, z tym że po niewyobrażalnie dalekiej podróży ich energia spadła do zaledwie 2,73 K, czyli niemal zera absolutnego. Po raz pierwszy więc, po setkach tysięcy lat, można było “zobaczyć” Wszechświat. Niestety, hipotetyczny obserwator nie miałby przed sobą przepięknych widoków, jakie znamy dzisiaj – przez kilkaset milionów lat panowała bowiem wówczas tzw. epoka ciemności, czas, w którym jeszcze nie powstały pierwsze gwiazdy, epoka, w której Wszechświat był bezgraniczną, ciemną przestrzenią, w której zachodziły już jednak pierwsze procesy zmierzające do rozświetlenia tych ciemności przez pierwotne gwiazdy.
Chcąc analizować sposób, w jaki te gwiazdy powstawały, nie możemy zakładać warunków początkowych takich samych jak obecnie – we wczesnym Wszechświecie warunki te były bowiem znacznie prostsze, Wszechświat był bowiem, mocno upraszczając, wypełniony równomiernie rozmieszczoną chmurą gazu wodoru i helu. Fizyka wówczas obowiązująca była również prostsza, w tym sensie, że wiele decydujących obecnie czynników (jak przykładowo silne pola magnetyczne) mogły być zaniedbane. W tym “prostym” Wszechświecie musiało jednak w jakiś sposób dojść do narodzin pierwszych gwiazd.
Zespół Yoshidy i Hernquista uzyskał jako pierwszy satysfakcjonujące wyniki związane z tym procesem. Pierwsze gwiazdy, tzw. protogwiazdy, wedle modelu naukowców rozpoczynały swój żywot jako maleńkie obiekty o masie równej zaledwie 1% masy naszego Słońca. Kiedy jednak już powstały, bardzo szybko rozwijały się do gigantycznych obiektów, o masie nawet kilka setek razy większej niż masa Słońca. Co zaskakuje, dochodziło do tego w niewiarygodnie krótkim czasie – jak na skale kosmologiczne oczywiście – bo już w w ciągu 10 tysięcy lat protogwiazda mogła mieć 100 mas Słońca. Równie szybko przebiegała następnie dalsza ewolucja gwiazdy – po względnie krótkim czasie miliona lat najprawdopodobniej gwiazda kończyła swój żywot wypalając w szalonym tempie swe paliwo (porównując do Słońca istniała więc 10 tysięcy razy krócej niż nasza macierzysta gwiazda).
Jak jednak dochodziło do samego formowania się protogwiazd? Symulacja wskazuje, że ważnym aspektem było oddziaływanie ciemnej materii, która dała decydujący impuls gazowym chmurom do grawitacyjnego kolapsu. Istotną różnicą modelu Yoshidy i Hernquista w porównaniu do wcześniejszych prób zobrazowania narodzin protogwiazd jest jednak założenie, że ważną rolę odgrywał proces określany skomplikowanie jako “complex radiative transfer”, inaczej mówiąc wypromieniowywanie energii przez skondensowany gaz. Gdyby nie ten proces wydaje się bowiem, że ciśnienie coraz silniej upakowanego gazu mogłoby być zbyć silne, nie dopuszczając do dalszego zapadania się gazowej chmury i tym samym uniemożliwiając powstanie gwiazdy.
Pierwsze protogwiazdy zgodnie z symulacją zaczęły powstawać w niespełna 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Do tego czasu w ciemnościach olbrzymie chmury gazowe powoli przechodziły proces formowania, pojawiać zaczynały się pierwsze fluktuacje gęstości, prowadzące stopniowo do zagęszczania się materii w miejscach, w których w przyszłości powstały protogwiazdy. Pierwsze gwiazdy Wszechświata, które rozświetliły po raz pierwszy “egipskie” ciemności Kosmosu.
A więc tak: skąd wiedzą że materia była równomiernie rozłożona??
Znowu ciemna materia
Znasz moje zdanie na ten temat jestem dość sceptyczny, wszyscy przyjęli to za pewnik mimo iz istnieje teoria alternatywna o nierównomierności grawitacji.
/ Cytuj komentarzMówiąc o “nierównomierności grawitacji” masz na myśli MOND (zmodyfikowaną dynamikę newtonowską?). Jeśli tak, to masz rację, że jest to konkurencyjne podejście, wcale zresztą niegłupie, jednak większość naukowców przychyla się jednak do tego, że ciemna materia istnieje. Przychylam się i ja (choć nie dlatego, że tak robi większość!), bo wydaje mi się trudno odrzucić poszlaki wskazujące na istnienie ciemnej materii.
Skąd wiemy, że materia-energia były równomiernie rozłożone? Choćby z mikrofalowego promieniowania tła, którego fluktuacje są tak znikome (różnice są wielkości dziesięciotysięcznych Kelwina pomiędzy zróżnicowanymi obszarami)
/ Cytuj komentarzco schładzało Wszechswiat?
gdy to czytam, mam przed oczami ostatnia scene Facetów w czerni i nasz wszechświat turlany:)
/ Cytuj komentarztak o to dokładnie mi chodzi:) tylko że ja mam i miałem zawsze problem z zapamiętywaniem nazw, z liczbami zawsze było jakoś łatwiej;)
Promieniowanie mikrofalowe tła – hmmm a czy możliwe jest że mamy po prostu za słabe oprzyrządowanie które nie jest w stanie zarejestrować minimalnych różnic skoro ta wielkość jest tak minimalna ?
Równomierne rozłożenie materii – znasz mój pogląd:) Jeżeli naprawdę istnieje jest moim zdaniem na istnieniem jakiegoś bytu wyższego który kontrolował by proces.
/ Cytuj komentarz@g_o_n
Z początku też myślałem że ta ciemna materia to tak jakby trochę na siłę wymyślona, ale są pośrednie dowody na jej istnienie, nie tylko w kontekście utrzymywania się w spójności galaktyk. Dobrze obrazują to zdjęcia na http://pl.wikipedia.org/wiki/Ciemna_materia
Pozdrawiam
/ Cytuj komentarzW ten weekend bylem z Dziewczyna pod namiotem w Wolinie…w sobote spojrzelismy w niebo i zobaczylismy setki tysiecy gwiazd (w miescie tak dobrze nie widac). Wiec ciesze sie, ze sie uformowaly tak, a nie inaczej:)
Pytanie – jakie sa szanse, zeby golym okiem dostrzec ktoras z orbitujacych nad nami satelit? Bo widzielismy sporo poruszajacych sie swiatelek, a niektore z nich byly zdecydowanie za wysoko i poruszaly sie za wolno, jak na samoloty.
EDIT: polskie znaki coś się rozjechały:(
/ Cytuj komentarz@cichy: duże przecież widzisz księżyc co nie;)
@WadosM: równie dobrze może być to spowodowane teorią różnego rozkładu grawitacji a nie występowaniem czarnej materii.
/ Cytuj komentarz@Beata: Wszechświat nie był schładzany przez “coś”, ale ze względu na gwałtowne rozszerzanie tracił temperaturę.
@g_o_n: MOND jest kontrowersyjne i ma mało popleczników choć jest to całkiem ciekawe, nowatorskie podejście. Póki jednak nie będzie konkretnych dowodów, podchodziłbym do tego ostrożnie. Jeśli chodzi o promieniowanie tła to mamy obrazy (sonda WMAP) która akurat miała na tyle czułe oprzyrządowanie, że właśnie te minimalne różnice zarejestrowała. Nie są one więc większe, a to wskazuje na równomierność dystrybucji materii-energii w początkach Wszechświata. Dokładniejsze dane powinniśmy zdobyć w następnym roku, bo sonda PLANCK ma mieć jeszcze wiele większą rozdzielczość, ma to być również test na inflację, czy się w ogóle odbyła
@WadosM: Witam serdecznie!:) Zgadza się, tych dowodów pośrednich jest już trochę
@Cichy: Witam, witam! Fajna wycieczka, pozazdrościć. Ale widziałeś setki tysięcy gwiazd, tak dokładnie liczyłeś, myślę że miałeś ciekawsze zajęcia niż liczenie gwiazd
Ale rzeczywiście widać poza miastem doskonale, choć, niestety, kiedy się ma okulary – jak ja – i krótkowzroczność, to z gwiazdy to jedna z pierwszych rzeczy, które widzi się słabiej i mniej… 
Jaka jest szansa żeby zobaczyć gołym okiem satelity?? Nie mam pojęcia
/ Cytuj komentarzdokładnie dowodów pośrednich nie bezpośrednich
Do momentu aż będzie dowód bezpośredni obie teorię mogą byc prawdziwe i prawie obie się sprawdzają w założeniach.
/ Cytuj komentarz@finwe.isilra: również witam
@g_o_n: Nie wiem czy uciekające soczewkowanie grawitacyjne od zderzonych gromad galaktyk nie jest bezpośrednim, czy pośrednim dowodem istnienia ciemnej materii. Poza tym ciemna materia nie musi być czymś wyjątkowym – może jest to jakaś zwyczajna materia zaistniała w jakiś bliżej nie określonych nam warunkach.
/ Cytuj komentarzUważałbym ze stwierdzeniem, że ciemna materia to zwyczajna materia, musielibyśmy ją już w jakiś sposób zaobserwować. Nie mamy dotąd niestety zielonego pojęcia – taka jest prawda – z czego ciemna materia się składa, być może długo jeszcze tak pozostanie:)
/ Cytuj komentarzcichy – ta twoja Dziewczyna ma fajnie:)
mieszkam na wsi, u mnie zawsze niebo rozgwieżdżone
finwe – dzięki, jak ja się rozszerzam, to sie nie schładzam:)
podobno można zobaczyć nisko latające satelity, ale to mi mówił pewien chłopak też pod namiotem, więc nie wiem, czy to prawda:)
ciemna materia to jest Pan Bóg
/ Cytuj komentarzMyślę że nie rozszerzasz się tak gwałtownie jak miało to miejsce w przypadku Wszechświata, dlatego nie dochodzi do schładzania
/ Cytuj komentarzJa też mam widoki na piękne rozgwieżdżone niebo, mieszkam na wsi.
Ciemna materia została wymyślona tylko po to aby się równania zgadzały, poszli po najłatwiejszej linii oporu a tak naprawdę co/jaka ona jest (jeżeli jest) nikt nie wie:) Taka jest niestety prawda.
@WadosM: ja bym to uznał za dowód pośredni jeżeli już.
/ Cytuj komentarzO tych satelitach co to nisko latają i je widać też gdzieś czytałem…ale to było wieki temu, może teraz robią takie niewidoczne?
/ Cytuj komentarz@g_o_n: Widzę jesteś naprawdę stanowczym antyzwolennikiem ciemnej materii:) W ten sposób ale rozumuje się często w astrofizyce, bo nie ma innych, empirycznych możliwości – są jakieś dane, do których trzeba “wynaleźć” pasujące źródła.
Zazdroszczę mieszkania na wsi, ja niestety mieszkam w mieścinie (co gorsza w centrum) i niebo widzę tak sobie…
/ Cytuj komentarzmoże nie anty zwolennikiem ale jakoś nie jestem do końca przekonany do tego aby jak czegoś brakuje to sobie to coś wymyślić aby pasowało (zarówno czarna energia jak i materia jest właśnie tym)
/ Cytuj komentarzFinwe, to może trzeba odkryc jakąć biała, jasna matreię, żeby była alternatywa?, przezroczystą? wtedy tez czarną?
/ Cytuj komentarznie żałuj, że nie na wsi, nie masz szamba:) lekarza 6 km i brak PKSu:)
nieba to trochę żałuj, bo czasami jest na wyciągnięcie ręki…
a u mnie dodatkowo lasy dookoła
/ Cytuj komentarzCiemna materia została wymyślona na poczekaniu, aby się obliczenia zgadzały – podobnie jak wirtualne cząstki, gdzie empirycznie już potwierdzono ich istnienie.
(lub co powoduje rozbieżności w obliczeniach)
/ Cytuj komentarzNajśmieszniejsze jest to, że nie potrafimy określić czym jest coś, z czego składa się 70% wszechświata
@WadosM to jesli ktoś załozył, że musi byc coś, żeby się zgadzało w obliczeniach, to…możemy wszystko!
/ Cytuj komentarzod dzisiaj jest tylko CZYSTA MATERIA , nie będę upierdliwa jesli chodzi o kolor:)
Ech, tak to wygląda w fizyce i nic na to nie poradzimy. Nazwy przecież nie grają roli, czy nazwiemy to “coś” ciemną materią, ciemną energią czy czarną, żółtą albo przeźroczystą naprawdę nie gra roli, to tylko jakieś określenia rzeczy. Faktem jest, że nie da się zrozumieć “zachowania” Wszechświata bez przyjęcia, że “zwykła” materia stanowi zaledwie kilka procent jego zawartości. Kolejnym krokiem jest zastanowienie się, co stanowi pozostałe 96%.
/ Cytuj komentarzDobra ale to wszystko (brakująca materia we wszechświecie, której nie widzimy) jest oparte na obliczeniach wywodzących się z prawa stałej grawitacji Newtona które to prawo zostało już raz zmodyfikowane przez naszego Alberta. A co jeżeli prawo grawitacji działa na innych zasadach w odniesieniu do całych galaktyk lub jest po prostu zróżnicowane zależnie od jakiś “innych” czynników zewnętrznych, czyli mówiąc łopatologicznie i w ogromnym uproszczeniu nie jest stała wszędzie.
/ Cytuj komentarzCzy takie założenie nie jest bardziej prawdopodobne i logiczniejsze niż wymyślanie sobie wszechświata składającego się z 75% czarnej energii, 20%czarnej materii i 5% zwykłej materii, przy czym 2 pierwsze “rzeczy” są po prostu “wzięte z sufitu” aby się równania zgadzały.
Rozumiem o co Ci chodzi, też początkowo tak podchodziłem do tego, jednak kiedy lepiej poznasz temat i wszystkie argumenty, które przemawiają za istnieniem tych tajemniczych składników, opór będzie mniejszy (w tym celu niestety wszystkich argumentów nie mogę Ci podać, polecam książki popularnonaukowe – choćby wymienione obok w “Czytam”). Pamiętaj o tym, że prawa Newtona zostały zmodyfikowane przez Einsteina w niezwykle małym stopniu – w przypadku wielkich mas lub ogromnych prędkości jest to tylko poprawka do prawa grawitacji Newtona, Einstein nie obalił twierdzeń tegoż, jedynie je zmodyfikował dla specyficznych warunków. Zakładanie, że pewne oddziaływanie (grawitacja) jest inne dla zróżnicowanych obiektów jest w mojej opinii ryzykowne, bo stąd już niedaleko do podważania wszystkich oddziaływań, co narobi tylko zamieszania.
/ Cytuj komentarzSwoją drogą jakim prawem możemy twierdzić, że coś, z czego składamy się my sami musi być jedynym albo przynajmniej dominującym składnikiem Wszechświata? To spojrzenie mocno antropocentryczne, bardzo niebezpieczne
No dobrze a może te nieścisłości wybiegają z istnienie innych wymiarów w których my jako stworzenia 4 wymiarowe nie możemy dostrzec?
Ty jesteś bardzo sceptyczny co do wielowymiarowości wszechświata ale czy to również nie jest “mocno antropocentryczne, bardzo niebezpieczne”.
Troszkę już się zagłębiłem w tematykę czarnej materii/energii oraz teorie alternatywne próbujące wyjaśnić rozbieżności w równaniach.
Prawda jest niestety taka (moje subiektywne odczucie) iż tak naprawdę fizycy nie wiedzą czemu się nie zgadza! ale nigdy szanujący naukowiec nie powie że nie ma bladego pojęcia dlaczego coś jest jak jest, zamiast tego trzeba zrobić coś aby się zgadzało aby był constans.
Może rzeczywiście teoria o czarnej materii czarnej energii (to nadal wg. mnie teoria) jest najbardziej popularna bo jest oparta na najprostszych zasadach i burzy w najmniejszy sposób posiadaną przez nas obecnie wizję wszechświata.
“Niech sobie będzie czarna materia/energia – jak coś znajdziemy będzie potwierdzone jak nie powiemy że jest nie do wykrycia grunt aby równania się zgadzały i reszta się nie zawaliła” – mój subiektywny może nawet ironiczny sposób dlaczego ta teoria tak jest popularna;)
Tak więc dla mnie będzie to nadal tylko teoria, możliwe że prawdziwa, ale nadal teoria i tak powinna być traktowana na równi z innymi alternatywnymi teoriami a nie stawiana jako oczywistość i tak jak by pewność.
ps. ale się rozpisałem:) mam nadzieję że cokolwiek zrozumiecie:)
/ Cytuj komentarzMoże mają wpływ na to inne wymiary, być może. Co do antropocentryzmu – ja nie chcę dostrzec dodatkowych wymiarów, Ty czegoś poza materią nam znaną, więc remis?;)) Oczywiście że fizycy tak naprawdę “nie wiedzą”, czemu równania nie pasują, bo nie mają możliwości empirycznego zbadania tego “czegoś”. Ciemna materia i ciemna energia to hipotetyczne elementy Wszechświata i na to zawsze się zwraca uwagę, czasem może zbyt słabo, nie wolno jednak zapominać, że naukowcy nie ukrywają, iż mają wątpliwości i nikomu nie wmawiają, że z pewnością oba te składniki istnieją. Rozmawiamy o hipotezach i póki co to się nie zmieni. Nawet jednak jak rozmawiamy o hipotezach możemy mieć co do nich swoje zdanie, jedne mogą pasować do naszego wyobrażenia mniej inne więcej.
/ Cytuj komentarzZgadza się ale musisz przyznać że coraz częściej w różnych czasopismach naukowych oraz podobnych pomijany jest fakt iż to jest teoria i uznawane jest to za pewnik, a jak ostatnio zobaczyłem iż wyciągane są inne wnioski i ogłaszane jako jakieś odkrycie (USA) których jedyną podstawa jest teoria o czarnej materii to naprawdę coś się we mnie skręca:( Nauka powinna być oparta na faktach i sprawdzonych twierdzeniach a nie wydumanych niesprawdzonych teoriach na podstawie, których wysnuwane są inne i podawane jako “odkrycie”. Jeżeli tego nie dotrzymamy to nauka będzie skręcać w stronę filozofii i teologii.
/ Cytuj komentarzoooo, nie… odpuszczam sobie dzisiaj:)
/ Cytuj komentarzByc moze nikt nie zajrzy juz do tego tematu, bo dyskusja sie juz wyczerpala, a ja zamodeluje wolanie na puszczy. A jednak mozna jeszcze poczerpac. Po prostu dopiero teraz przeczytalem artykul.
/ Cytuj komentarzWydaje mi sie (nie tylko mi), ze pierwsze gwiazdy powstaly z fluktuacji gestosci materii. Takich fluktuacji w pierwotnym obloku wodorowym bylo co niemiara w zwiazku ze stosunkowo duza gestoscia materii (rozmiary Wszechswiata byly wowczas duzo mniejsze). Nie jest to oczywiscie odkryciem. Tak sie uwaza, bo to podpowiada wyobraznia, ktora na ogol jest bardziej miarodajna, niz modelowanie komputerowe. A jak powstaly fluktuacje? Oto jest pytanie. Wbrew oczekiwaniom to nie inflacja (w Europie przyjeta z braku laku, a w Ameryce, jak to bylo w roku 1929…). “Twierdzisz, jakbys mial na to dowody” – ktos by rzekl. Jest sporo argumentow przeciw inflacji, nie jest jednak znane rozwiazanie alternatywne.
Zgodnie z moimi fantazjami, na poczatku mial miejsce rzeczywiscie proces przyspieszonej ekspansji, ale nie byla to wykladnicza ekspansja przestrzeni. Chodzi bowiem o materie. W dodatku u kresu tej ekspansji doszlo do przemiany fazowej i krotkotrwalego braku samouzgodnienia. Od razu spowodowalo to rozwoj chaotyczny materii: fluktuacje i frakatalizacje. Dopiero wtedy tez pojawila sie temperatura. Wczesniej nie istniala jako parametr, jako pojecie nie dotyczace sprawy. Ktos moglby to nazwac zerem bezwzglednym. To uproszczony opis. Trudno w jednym poscie rozwinac rzecz. Nie chce tez ujawniac istotnych szczegolow.
Finwe, rozumiem Twoje sklanianie sie do pogladu o pierwszym pchnieciu (primum mobile), bedacym sztandarowym pogladem – argumentem teologicznym.
A jednak mozna tez byc czlowiekiem nawet gleboko religijnym i wykluczac te rzecz, gdyz w gruncie rzeczy to tylko dogmat istniejacy w okreslonym kregu cywilizacyjnym, w dodatku wykluczajacy inne mozliwosci (nawet w ramach wiary w Nadistote, Nadsile, itp.). Jesli wraz z WW wszystko sie zaczelo, zaczal sie tez czas, a potem ta Wszystkosc ma podazac ku nieskonczonosci, to cos tu nie gra, bo rzeczywistosc, jaka by nie byla, nie moze byc zerem (gdyz istnieje), nie moze tez byc nieskonczonoscia (gdyz jest czyms wiecej, niz matematyka). Mozna tez zawsze zapytac: A co bylo przed tym, jak zaczal sie czas? Odpowiedz, ze pytanie nie masensu swiadczy wlasciwie o tym, ze sama koncepcja pierwszej przyczyny nie jest sluszna. Tak to widze. ” Jak wiec to bylo z tym Wybuchem? Czy jednak nie mial miejsca?” Odpowiedz jest jedna: Wszechswiat oscyluje. Wiara w Boga wlasciwie nie ma nic wspolnego z dogmatem primum mobile. Tak to widze. Sadze, ze sluszniejszym byloby podejscie panteistyczne (Spinoza, nawet w jakims stopniu Einstein).