SN grudzien 062

10^³s

Czas oddziela się od przestrzeni. Dotąd sięga współczesna fizyka

10^-33 s

Kosmiczna inflacja wzbudza fluktuacje gęstości materii

70 tys. lat Materia staje się dominującym składnikiem kosmosu; fluktuacje narastają

400 tys. lat

Rekombinacja: tworzą się neutralne atomy; promieniowanie mikrofalowe oddziela się od materii

Mapa sporządzona na podstawie danych WMAP

NA KOSMICZNEJ OSI CZASU epoka ciemności znajduje się między epoką, w której doszło do emisji mikrofalowego promieniowania tła, oraz epoką, w której powstały pierwsze galaktyki. Ciemność ustępowała stopniowo, w miarę jak światło gwiazd jonizowało gaz, wypełniający dziś przestrzeń międzygalaktyczną.

JJJ

rzeglad / Pierwotna ciemność

m Mikrofalowe promieniowanie tta zostato wyemitowane 400 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Odtąd aż do chwili, w której pojawiły się pierwsze gwiazdy, we Wszechświecie panowała niemal całkowita ciemność. Pod jej osłoną toczyły się procesy, które doprowadziły do powstania galaktyk. ■    Możliwość ich zbadania stwarzają słabe fale radiowe emitowane przez elektrycznie obojętny wodór, który oddziaływał z promieniowaniem tła. Astronomowie przygotowują urządzenia do odbioru tych fal. ■    Przyniesiony przez fale radiowe obraz Wszechświata będzie w pełni trójwymiarowy i pokaże krok po kroku, w jaki sposób formy wyłoniły się z bezkształtu.

32 ŚWIAT NAUKI GRUDZIEŃ 2006

kosmosu działo się to samo, co na naszych oczach dzieje się w odległości miliardów lat świetlnych od Słońca.

Ostatecznym celem kosmologii obserwacyjnej jest odtworzenie historii Wszechświata i wyjaśnienie, w jaki sposób powstaliśmy z bezkształtnej mieszaniny cząstek elementarnych. Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła informuje nas szczegółowo o tym, jak wyglądał Wszechświat 400 tys. lat po Wielkim Wybuchu; dysponujemy też obrazami poszczególnych galaktyk, które istniały miliard lat później. W połowie przyszłego dziesięciolecia NASA zamierza umieścić na orbicie następcę teleskopu Hubble’a - James Webb Space Telescope (JWST). Za jego pomocą będziemy obserwować pierwsze galaktyki, powstałe - jak sądzą teoretycy - setki milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Jednak nawet i on nie rozwiąże wszystkich problemów. Po uwolnieniu promieniowania tła, a przed powstaniem pierwszych gwiazd, we Wszechświecie panowała ciemność. O tych czasach nie powie nam nic ani JWST, ani promieniowanie tła, które nie odzwierciedlało już wtedy rozkładu materii. Kosmiczna epoka ciemności może wydawać się ponura i nudna - ot, takie interludium między Wielkim Wybuchem a tętniącym życiem dniem dzisiejszym. Wydarzyło się w niej jednak coś niesłychanie ważnego: pod wpływem grawitacji z bezkształtnej materii uformowały się różnorodne obiekty współczesnego Wszechświata.

To tak jakby oglądać niekompletny album, w którym pierwsze zdjęcia ultrasonograficzne właściciela sąsiadują z jego fotografiami jako nastolatka i osoby dorosłej. Próbując się domyślić, jak ten człowiek wyglądał w dzieciństwie, łatwo dojść do zupełnie fałszywych wniosków: dziecko nie jest przecież ani powiększonym płodem, ani pomniejszonym dorosłym. To samo dotyczy galaktyk. Ich ewolucja nie polegała na zwyczajnym kurczeniu się zagęszczeń uwidocznionych przez mikrofalowe promieniowanie tła. Dostępne dziś dane silnie sugerują, że rozwijały się dzięki gwałtownym zmianom, do jakich doszło we Wszechświecie w epoce ciemności.

Astronomowie chcą dziś uzupełnić kosmiczny album zdjęciami, które zilustrują ewolucję Wszechświata w wieku dziecięcym i wyjaśnią, w jaki sposób tworzyły się cegiełki, z których powstały galaktyki podobne do Drogi Mlecznej. Gdy 10 lat temu zaczynałem pracę nad tym problemem, interesowali się nim tylko nieliczni. Obecnie znaczna część obserwacji astronomicznych jest planowana właśnie z myślą o badaniu epoki ciemności.

Od jonu do jonu

zgodnie z teorią wielkiego wybuchu wczesny Wszechświat był wrzącym kotłem gorącej plazmy - protonów, elektronów i fotonów' z niewielką domieszką innych cząstek. Swobodnie poruszające się elektrony często oddziaływały z fotonami poprzez tzw. rozpraszanie thompsonowskie, dzięki czemu materia była ściśle związana z promieniowaniem. W miarę ekspansji Wszechświat stygł. Gdy temperatura spadła do 3000 K, protony połączyły się z elektronami w obojętne elektrycznie atomy w odoru. Z braku elektronów' fotony prawie przestały oddziaływać z materią, stając się niezależnym od niej promieniowaniem tła. Rozszerzanie się Wszechświata powodowało dalsze stygnięcie materii; można by więc spodziewać się, że kosmiczny gaz pozostanie niezjonizow'anv i zimny. Jego losy potoczyły się jednak zupełnie inaczej. Co prawda, nasze otoczenie jest zbudowane z neutralnych atomów, ale większość zwykłej materii Wszechświata to silnie rozrzedzona plazma, która wypełnia przestrzeń międzygalaktyczną. Z badań widm najodleglejszych (a zatem i najstarszych) obiektów kosmicznych wynika, że była ona całkowicie zjonizow'ana już miliard lat po Wielkim Wybuchu [patrz: Evan Scannapieco, Patrick

Ź

|

ż

2