Почему мы видим так мало звезд на небе?

Почему одного «да будет свет!» во Вселенной недостаточно? «Взгляните на красоту жизни. Взгляните на звезды и узрите, как сами бежите с ними», — говорил Марк Аврелий. Представьте себе ночное небо. Вдали от городов, в безлунную ночь, в самых темных местах, в которых вы когда-либо бывали. Может быть, вы ложились на траву и смотрели в небо. Воздух прохладный, небо чистое, никаких облаков, и вы смотрите ввысь.

Что вы видите?

Там планеты, яркие и тусклые звезды, и даже Млечный Путь, который можно увидеть периферическим зрением, если смотреть немного в сторону. Но самое интересное в ночном небе не присутствие этих немногих тусклых огоньков, а скорее тот факт, что практически в любой точке, в которую вы смотрите, небо само по себе темное.

Если вы подумаете об этом минутку, то это покажется странным. Если Вселенная на самом деле полна звезд — точек света во всех направлениях — то вы бы в полной мере рассчитывали, что куда ни посмотри, в конце концов ваша линия взгляда попадет на звезду.

И как только это произойдет, вы больше не будете видеть «темноту» на небе. Каждая точка наполнится светом, вне зависимости от того, как далеко находится звезда, галактика или другая точка света.

Это один из величайших парадоксов 19 века: фотометрический парадокс, или парадокс Ольберса, который показал, что идея бесконечной Вселенной, наполненной бесконечным количеством звезд, несовместима с темным ночным небом, которое мы все можем наблюдать.

Разрешение этого парадокса, конечно, заключается в том, что когда мы смотрим на далекую Вселенную, мы смотрим назад во времени, и когда Вселенная существовала в горячем, плотном, более однородном состоянии, было время, когда не было никаких звезд. Если смотреть дальше определенной точки, вы никогда не увидите ни одной звезды.

После Большого Взрыва Вселенная была горячей, плотной и однородной, но также расширялась и остывала. К тому времени, как ей стукнуло 380 000 лет, она остыла достаточно, чтобы образовать нейтральные атомы в первый раз. Но есть два препятствия, которые позволяют нам что-то увидеть:

1. Пока нет ничего, что излучает свет, смотреть не на что.

2. 
   
   
   
   

   Вселенной нужно быть прозрачной.

Хотя эти две проблемы — образование первых звезд и прозрачность Вселенной — нередко объединяются как «темные века», они остаются двумя отдельными проблемами, которые нужно решить.

Во-первых, вам не на что будет смотреть, пока вы не сформируете первые звезды. В те времена, когда Вселенная начала почти с идеальной однородной формы, возникли крошечные несовершенства, некоторые области начали с большим количеством материи, чем другие. Со временем гравитация стягивала в эти сверхплотные регионы больше и больше вещества, тем самым выращивая в них сгустки материи.

Потребовались десятки миллионов лет, но когда прошло достаточно времени, эти сгустки выросли достаточно большими, чтобы гравитация привела к их коллапсу. И когда ядра этих сгустков атомов и молекул стали достаточно плотными, начался процесс термоядерного синтеза — сжигания водородного топлива в гелий.

Эти места термоядерного синтеза стали ядрами первых звезд во Вселенной, горячих и ярких, и излучающих первый видимый свет во Вселенной с момента первых стадий горячего Большого Взрыва. Это произошло спустя 50 миллионов лет от начала истории Вселенной, и это довольно короткое время для первых звезд.

Проблема в том, что мы не видим ни одну из этих звезд.

Мы знаем, что звезды излучают свет, но точно так же его излучают звезды «темной туманности» Barnard 68. Эта туманность оказывается темной, поскольку атомы и молекулы в туманности физически поглощают видимый — и, следовательно, являются непрозрачными.

Хотя одиночные атомы обладают только определенными атомными переходами, которые могут поглощать свет, когда они связаны вместе всеми видами сложных конфигураций, они могут блокировать весь спектр видимого света. Этот тип непрозрачности образовался, когда появились первые звезды: Вселенная, может быть, и породила свет, но он не нашел пути к нашим глазам.

Что нам с этим делать?

Нужно ионизировать эти атомы? Или, если точнее, реионизировать, поскольку они уже однажды были ионизированы: еще перед тем, как стали нейтральными.

Правда, этот процесс займет много времени и участия миллиардов звезд, которые образуются, испустят ультрафиолетовое ионизирующее излучение и попадут по более 99% нейтральных атомов Вселенной. Это постепенный процесс, но на его завершение потребуется 550 миллионов лет.

До недавнего времени мы думали, что реионизация — эта последняя фаза Вселенной, которая сделает ее прозрачной для видимого света — произошла 450 миллионов лет спустя после Большого Взрыва, но дополнительный фактор в виде 100 миллионов лет был определен последними наблюдениями спутника Планка.

Это, в свою очередь, не означает, что самые старые звезды Вселенной образовались спустя 100 миллионов лет, чем мы предполагали ранее. Это означает, что первые звезды образовались намного, намного раньше, чем мы можем наблюдать, и у нас образовалось недостаточно звезд — и они прожили недостаточно долго — чтобы реионизировать Вселенную и сделать ее прозрачной для света. Во Вселенной просто недостаточно было сказать «да будет свет!», чтобы увидеть первые звезды: этот свет должен быть в состоянии свободно проходить через космос.

Нет никакого способа увидеть их в видимом спектре, вне зависимости от того, насколько хорош космический телескоп Хаббл, вне зависимости от того, как долго он смотрит на эти участки неба, он никогда не увидит первые звезды, потому что Вселенная все еще непрозрачна для видимого света.

Но надежда есть, и космический телескоп Джеймса Уэбба обладает потенциалом воплотить эту надежду в реальность.

Если наблюдать за длинноволновым светом, эти пыльные строения атомов и молекул вполне могут быть прозрачны для этих длин волн. Хотя Хаббл может никогда не увидеть эти звезды, Джеймс Уэбб будет вглядываться в инфракрасные (и довольно длинные) волны и сможет отследить их путь к тем эпохам, когда Вселенная была прозрачна для видимого света.

Другими словами, всего через несколько лет мы сможем по-настоящему исследовать первые звезды Вселенной. Возможно, они невидимы для нас, но это вина наших глаз, а не света.