[Перевод] Когда и как Вселенная стала проницаемой для света?

Физика и большие данные идут рука об руку. Благодаря свету, который простирается во Вселенной на миллионы километров и гораздо дальше, мы ищем и находим экзопланеты, узнаём о Вселенной всё новые факты, движемся к пониманию происходящего. Но когда и как Вселенная вообще начала пропускать свет настолько далеко? Давайте разбираться под катом, в статье Итана Сигеля, которую мы перевели к старту флагманского курса по Data Science.


Нейтральные атомы образовались всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Первые светила снова начали ионизировать их, но, чтобы завершить реионизацию, потребовались сотни миллионов лет формирования звёзд и галактик.

Если в чём-то можно быть уверенным, то это в проницаемости космоса для света. Когда вы смотрите на тёмное ночное небо, то видите объекты атмосферы, околоземной орбиты, Солнечной системы или даже Галактики, особенно если у вас есть собирающее свет нечто, — тогда мы можем смотреть сквозь Вселенную в буквальном смысле, видеть объекты на расстоянии тысяч, миллионов или даже миллиардов световых лет. В непроницаемой Вселенной такое невозможно. Верно и другое:

  • Невозможно видеть бесконечно далеко; есть предел тому, насколько простирается наш взгляд в прошлое.

  • У света разные длины волн, каждый набор длин неодинаково проницаем для остальных.

Когда же Вселенная стала проницаемой? Барри МакМахон спрашивает:

«Был озадачен заявлением [сделанным вами] о реионизации, в котором говорится, что “за сотни миллионов лет Вселенная стала проницаемой, поскольку частицы газа стали заряженными или ионизированными”.

Как я понимаю, Вселенная уже была проницаемой на этом этапе (проницаемость связана с рекомбинацией в гораздо более ранней эпохе, когда Вселенная достаточно остыла).

Реионизация, конечно, произошла через несколько сотен миллионов лет, когда образовались звёзды и галактики, но Вселенная к тому времени была настолько велика, а свободные электроны так разрежены, что рассеивали фотоны лишь изредка, то есть Вселенная осталась проницаемой, но не стала такой… Вы согласны?»


Есть две важные фазы, которые действительно произошли, и они обе повлияли на способность света проходить сквозь Вселенную: это рекомбинация и реионизация. Чтобы узнать причину проницаемости Вселенной, нам нужно понимать эти фазы.

Молодая Вселенная, полная материи и излучения, была столь плотной и горячей, что присутствующие кварки и глюоны не сформировались в отдельные протоны и нейтроны, а остались в кварк-глюонной плазме. Этот первобытный суп состоял из частиц, античастиц и излучения, и, хотя энтропия там была ниже, чем сейчас, её всё равно было много.

На горячих стадиях Большого взрыва Вселенная менее проницаема, чем когда-либо. Давным-давно всё было более горячим и плотным, поэтому вся нормальная материя была ионизирована, то есть вокруг летало множество свободных протонов и электронов, из-за высоких температур и энергий не способных образовывать нейтральные атомы. Также присутствует много фотонов — квантов света.

Когда объект проницаем для света, это означает, что свет проходит прямо сквозь него, причём путь и свойства света под воздействием столкновений практически не изменяются. Наполненная быстрыми заряженными частицами молодая Вселенная — возможно, ярчайший пример набора условий световой непроницаемости. Фотоны имеют большой шанс взаимодействия с частицами, когда частицы обладают:

Особенно хорошо этим условиям соответствует электрон.

Движущиеся с околосветовой скоростью частицы могут взаимодействовать со светом звезды и увеличивать энергию фотона до гамма-излучения. Явление показано выше и известно как обратное комптоновское рассеяние.

В ранней Вселенной электрон — основная причина непроницаемости. Каждый фотон, проходящий сквозь пространство, независимо от направления движения, прежде чем встретиться с электроном, успевает пролететь очень короткое расстояние.

Об электроне и фотоне можно думать как о частицах, и они имеют зависящее от энергии эффективное сечение. Чем выше энергия этих частиц, тем больше шансов, что они столкнутся и рассеются, разойдутся в разные стороны и изменят направление движения.

Фотоны — это также электромагнитные волны с осциллирующими синфазными электрическими и магнитными полями, действующими на любой электрон и ускоряющими его при столкновении.

Если импульс электрона изменяется, по закону сохранения импульса где-то ещё должно произойти равное и противоположное изменение импульса. На сколько бы ни изменился импульс электрона, импульс фотона должен измениться на равную и противоположную величину, а значит, фотон при столкновении меняет направление.

Вот почему когда мы строим график изменения направления фотона в зависимости от энергии при встрече с электронами, то видим, что энергия в степени отклонения фотона имеет огромное значение.

Распределение Клейна — Нишина углов рассеяния эффективного сечения в диапазоне часто встречающихся энергий. При энергиях выше (кривых меньше) электрон не столь сильно отклоняет фотон, но с ростом энергии фотона эффективное сечение и вероятность взаимодействия увеличиваются. Разрежённые электроны меньше влияют на фотоны с меньшей энергией.

Пока пространство пронизано ионизирующими частицами (безусловно, до образования стабильных, нейтральных атомов так и было), фотоны не могут пролететь и секунды без столкновения с электроном.

Такое рассеяние делает Вселенную непроницаемой: поступающий в неё свет рассеивается и перенаправляется, и эти взаимодействия могут также изменить энергию/длину волны света. В первые сотни тысяч лет после Большого взрыва это постоянно происходило со всеми фотонами, а Вселенная оставалась непроницаемой. Непроницаемость в этом контексте не означает, что нельзя было бы увидеть ничего. Скорее невозможно было смотреть далеко. Со всех сторон падало много отражённого и переизлученного света, но если бы вы рассмотрели, откуда исходил каждый фотон после предыдущего взаимодействия с электроном (где находилась точка «последнего рассеяния»), то увидели бы близость этой точки к вам. Вы не увидели бы свет объекта на астрономическом расстоянии.

Но когда Вселенная остыла до ~3000 К, то есть ниже критической температуры, фотоны перераспределились по расширяющийся Вселенной настолько, что высокоэнергетических фотонов не хватало, чтобы ионизировать начинающие формироваться атомы. Так стало возможным формирование стабильных, нейтральных атомов.

В горячей Вселенной, до образования нейтральных атомов, передавая импульс, фотоны рассеивались из-за электронов (и в меньшей степени — протонов) с очень высокой скоростью.

После образования нейтральных атомов в результате охлаждения Вселенной ниже определённого критического порога фотоны просто движутся по прямой, на длину волны влияет только расширение пространства. Это важная веха. Астрофизики называют её «рекомбинацией». Свободные электроны пытаются связаться с протонами и другими плавающими вокруг атомными ядрами, но каждый раз их отбрасывает фотон достаточно высокой энергии.

Электроны соединяются, ионизируются и повторяют рекомбинирование. Гораздо позже, когда образуются звёзды, эти звёзды ионизируют собственные атомы, а затем свободные электроны рекомбинируют с ионами, снова образуя атомы, что и даёт название — «рекомбинация». Хотя это медленный, постепенный процесс длиной в 100 000 лет, он завершился, и Вселенная впервые наполнилась нейтральными атомами, а свободных электронов и ионов практически не осталось.

Это сильно изменило историю фотонов. Сталкиваясь со свободным электроном, фотон рассеивается вместе с ним: комптоновское рассеяние происходит при высоких энергиях, томсоновское — при низких.

Любой электрон, с которым столкнётся фотон, изменит направление последнего. Но, когда тот же фотон встречает нейтральный атом, взаимодействие произойдёт, только если фотон имеет нужную длину волны, чтобы вызвать переход на энергетических уровнях электрона.

Однако после образования нейтральных атомов практически каждый фотон имеет слишком низкую энергию и слишком большую длину волны, чтобы взаимодействовать с этими атомами.

В результате фотоны больше не рассеиваются, а просто проходят сквозь нейтральные атомы, как будто фотонов там вовсе не было. Мы называем это явление свободным потоком, поскольку фотоны теперь неизменны, за исключением растягивающего длину волны космологического красного смещения. Именно так ведут себя фотоны по сей день.

Иллюстрация радиационного фона на различных красных смещениях во Вселенной. Обратите внимание, что космический микроволновый фон — это не просто поверхность, исходящая из одной точки, а скорее купель излучения, которая присутствует везде и одновременно. По мере расширения Вселенной космический микроволновый фон становится холоднее, но никогда не исчезает.

В этом смысле Вселенная становится проницаемой, когда нейтральные атомы образуются стабильно и происходит рекомбинация. То есть она становится проницаемой для оставшихся после Большого взрыва фотонов. Мы наблюдаем их как микроволновое космическое излучение.

Пока Вселенная становилась нейтральной, большинство этих фотонов находилось в «красной» части спектра, тогда как электроны нейтральных атомов обладали самой низкой энергией и поглощали в основном ультрафиолетовый свет.

Со временем фотоны смещаются сильнее и достигают более низких энергий: от видимого света до инфракрасного и микроволнового диапазонов, где они свободно распространяются даже сегодня. Поверхность последнего рассеяния» для этих фотонов возникла, когда Вселенная достигла возраста 380 000 лет: рассеяние со свободным электроном тогда случилось в последний раз.

Именно в тот момент Вселенная обрела проницаемость для оставшегося после Большого взрыва света. Наблюдая Вселенную в микроволновом диапазоне, мы увидим именно это — остаточное свечение Большого взрыва, реликтовое излучение. Но, если смотреть невооружённым взглядом, можно наблюдать видимый свет — свет от звёзд. И это по очевидным причинам требует проницаемости совершенно иного рода.

Тёмные, пыльные молекулярные облака, подобные этому облаку Млечного Пути, разрушаются и дают начало новым звёздам, причём в самых плотных областях образуются самые массивные звёзды. Количество звёзд за облаком огромно, но свет поглощается пылью и не пробивается сквозь неё.

Сегодня, чтобы понять, почему эти нейтральные атомы совершенно ужасны в плане проницаемости, не нужно смотреть дальше самого Млечного Пути.

Млечный Путь, если вы когда-нибудь видели его, выглядит как полоса тусклых молочных облаков с другими, проходящими через него тёмными полосами, особенно в направлении самой плотной, центральной области.

Тёмные полосы — связанные собственной гравитацией облака газа и пыли, нейтральная материя. Эти облака частично объединяются в зёрна определённого размера, и в целом эти зёрна пыли поглощают свет, если длина волны равна размеру зёрна или меньше, и не поглощают, когда длина волны больше.

До формирования самых первых звёзд эти атомы должны сжаться и притянуться друг к другу, а это значит, что в любом месте формирования звезды область её образования будет полна окружающими газом и пылью.

Когда загорались первые звёзды, первой преградой оказались непроницаемые для их света слипшиеся нейтральные атомы. Старейшие звёзды не просто сильно отличаются от сегодняшних звёзд, состоящих из водорода и гелия. Они создавались в среде, откуда свет не мог вырваться.

Первые звёзды окружены в основном нейтральными атомами поглощающего свет водородного газа. Водород сделал Вселенную непроницаемой для видимого, ультрафиолетового и значительной части ближнего инфракрасного света, но волны длиннее возможно будет наблюдать обсерваториями ближайшего будущего. Температуры тогда было достаточно, чтобы вскипятить жидкий азот, а в среднем Вселенная, в крупном масштабе, была в десятки тысяч раз плотнее.

Но время меняет состояние нейтральных атомов. Когда материя начинает слипаться и образовывать гравитационно связанные структуры, образуются области с плотностью намного выше средней.

Соответственно, эта материя должна откуда-то взяться, поэтому окружающие области со средней плотностью и плотностью ниже средней отдают материю областям плотнее. В образовавшихся более плотных областях формируются звёзды, и звёздный свет — впервые — не только создаётся, но и начинает врезаться в нейтральную материю вокруг.

Именно здесь вступает в игру второй тип непроницаемости: Вселенная проницаема для реликтового излучения, но не для созданных звёздами фотонов.

В частности, большая часть порождаемого света — это ультрафиолет и видимый свет: коротковолновый свет высокой энергии, легко поглощаемый настоящими зёрнами пыли. Но ультрафиолет обладает достаточной энергией для ионизации атомов, с которыми контактирует: он выбивает из атомов множество электронов.

Когда образуется достаточное количество звёзд, излучение прорывается сквозь оболочку нейтральной материи, ионизируя эту оболочку и впервые направляя звёздный свет за пределы оболочки.

Только потому, что далёкая галактика GN-z11 расположена в области, где межгалактическая среда в основном реионизирована, Хаббл сейчас может проявить её. Чтобы смотреть дальше, нужна более совершенная, оптимизированная для такого рода обнаружения обсерватория.

На раннем этапе образовалось лишь несколько очагов, где создавались звёзды. Вселенной не успела стать разрежённой в смысле плотности. Это означает, что многие атомы ионизированных в очень ранние времена образования первых звёзд могут снова стать нейтральными. Образование звёзд происходит всплесками и волнами, поэтому плотные области могут стать в целом ионизированными, затем нейтральными, а затем снова наибольшей частью ионизированными.

Чтобы ионизировать не только материю в самых плотных регионах, но и атомы между звёздами и галактиками, нужно много времени и постоянное производство новых массивных звёзд, излучающих ультрафиолет. Хотя самые первые звёзды смогут появиться через 50–100 миллионов лет после Большого взрыва, а первые большие волны звездообразования смогут произойти всего через 200–250 миллионов лет после Большого взрыва, небольшое количество нейтральной материи может пройти долгий путь.

Только через ~550 миллионов лет после Большого взрыва последний ~1 % оставшейся нейтральной материи, то есть последние атомы межгалактической среды, полностью ионизируется, позволяя свету звёзд беспрепятственно проходить между галактиками.

«Секундочку, — слышу я ваше возражение. — Я думал, что ионизированные атомы создают свободные электроны и свободные электроны — враги фотонов, потому что они вызывают рассеяние!»

И на это возражение я отвечаю, что вы правы, но дело не только в состоянии материи и энергии фотона, но и в плотности присутствующих частиц. В межгалактической среде на кубический метр пространства приходится всего один электрон, и эти фотоны не испытывают существенного влияния электронов при такой низкой плотности. Фотонов просто намного больше, чем электронов.

Однако существует предел того, как далеко назад мы можем заглянуть, поскольку во всех направлениях существует «стена» во времени, где внезапно появляется большая плотность нейтральных атомов.

В редких случаях это происходит потому, что вмешиваются туманности — плотные сгустки материи. Но в большинстве случаев мы можем заглянуть примерно на 30 миллиардов световых лет назад (плюс-минус), прежде чем обнаружим, что для полной реионизации Вселенной ещё не было создано достаточно звёзд, а значит, большая часть излучаемого света поглощается до того, как он сможет достичь нас.

Резче всего этот переход проявляется в данных по квазарам, показывающим появление (или отсутствие) этих нейтральных, поглощающих атомов в их спектрах: впадина Ганна — Питерсона.

После определённого расстояния, или красного смещения (z), равного 6, во Вселенной всё ещё присутствует нейтральный газ, который блокирует и поглощает свет. В спектрах этих галактик эффект проявляется в виде падения потока до нуля слева от большого всплеска (серии Лаймана) для всех галактик после определённого красного смещения, но не для всех галактик с меньшим красным смещением. Этот физический эффект известен как впадина Ганна — Петерсона, и он блокирует ярчайший свет старейших звёзд и галактик.

Если собрать всё, что мы узнали, вместе, то мы увидим не просто захватывающую картину. Вселенная — если посмотреть правильным образом — даже открывает невероятный, беспрецедентный потенциал расширения границ.

Вначале Вселенная была горячей, ионизированной и плотной, а значит, фотоны от Большого взрыва постоянно рассеивались на электронах, пока спустя 380 000 лет Вселенная не образовала нейтральные атомы. Только тогда эти гораздо более холодные фотоны превратились в свободный поток.

Однако нейтральные атомы слипались, и в этой плотной среде видимый и ультрафиолетовый свет не проходил сквозь сгустки. Только ~550 миллионов лет спустя, когда достаточное количество звёзд произвело достаточно излучения высокой энергии, чтобы ионизировать всю межгалактическую среду, Вселенная стала проницаемой.

Но это означает, что, если мы будем смотреть в более длинных волнах света, Вселенная не будет казаться такой непроницаемой даже в те ранние периоды между рекомбинацией и окончанием реионизации. Инфракрасное и даже радиоизлучение всегда сможет пройти, что даёт космическому телескопу Джеймса Вебба и другим, ещё более длинноволновым обсерваториям шанс найти звёзды и галактики, видимый звёздный свет которых поглощается промежуточной материей. Проницаемость, как всегда, зависит не только от того, когда вы смотрите, но и как: в каких длинах волн света.

С новыми телескопами и обсерваториями мы получим уточнённые данные и сможем лучше понять природу окружающего. Данные помогают не только космос, но и людей, а значит, могут сделать жизнь лучше.

Если вы хотите решать проблемы при помощи данных, обратите внимание на наш курс по Data Science или по аналитике данных. Также вы можете узнать, как прокачаться или начать карьеру в других направлениях IT:

Data Science и Machine Learning

Python, веб-разработка

Мобильная разработка

Java и C#

От основ — в глубину

А также:

Читайте так же: