เมื่อใช้เวลาจากขวาไปซ้ายการสร้างภาพข้อมูลนี้แสดงให้เห็นการก่อตัวของดาวดวงแรกจากหมอกควันของไฮโดรเจนที่เป็นกลางหลังจากรุ่งอรุณของจักรวาลจักรวาล
(ภาพ: © NASA / STScI)
Paul Sutter เป็นนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ The Ohio State University และหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์ COSI ซัทเทอร์ยังเป็นเจ้าภาพถาม Ask Spaceman และ Space Radio และเป็นผู้นำ AstroTours ทั่วโลก ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้เพื่อเสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights
บางทีการเปิดเผยที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในรอบร้อยปีแห่งการศึกษาจักรวาลก็คือบ้านของเราเปลี่ยนแปลงและวิวัฒนาการตามกาลเวลา และไม่เพียง แต่ในรูปแบบเล็กน้อยที่ไม่มีนัยสำคัญเช่นดาวที่เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ เมฆก๊าซอัดและดาวมวลสูงที่กำลังจะตายด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง ไม่จักรวาลทั้งหมดของเรามีการเปลี่ยนแปลงลักษณะพื้นฐานของมันมากกว่าหนึ่งครั้งในอดีตอันไกลโพ้นการเปลี่ยนแปลงสถานะภายในของมันในระดับโลกอย่างสมบูรณ์นั่นคือระดับสากล
ยกตัวอย่างเช่นความจริงที่ว่าครั้งหนึ่งในอดีตที่มีหมอกหนาและจำไม่ได้ก็ไม่มีดาวเลย
ก่อนที่แสงแรก
เราทราบความจริงง่ายๆนี้เพราะการมีอยู่ของพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิค (CMB) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของรังสีที่อ่อนแอ แต่ถาวรที่ดูดซับทั้งจักรวาล หากคุณพบโฟตอนแบบสุ่ม (แสงเล็กน้อย) มีโอกาสที่ดีที่มันมาจาก CMB - แสงนั้นใช้รังสีมากกว่า 99.99 เปอร์เซ็นต์ของการแผ่รังสีทั้งหมดในจักรวาล มันเป็นของที่ระลึกที่เหลือจากเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 270,000 ปีและเปลี่ยนจากพลาสมาร้อนที่กำลังโรยตัวเป็นซุปที่เป็นกลาง (โดยไม่มีประจุบวกหรือประจุลบ) การเปลี่ยนแปลงนั้นปล่อยรังสีสีขาว - ร้อนซึ่งในช่วงเวลา 13.8 พันล้านปีที่ผ่านมาเย็นลงและแผ่ลงไปในไมโครเวฟทำให้เรามีแสงพื้นหลังที่เราสามารถตรวจจับได้ในปัจจุบัน [เบื้องหลังไมโครเวฟคอสมิค: บิ๊กแบงที่ระลึกอธิบาย (อินโฟกราฟิก)]
ในช่วงเวลาของการเปิดตัว CMB จักรวาลมีปริมาณประมาณหนึ่งในล้านของมันในปัจจุบันและมีหลายพันองศาที่ร้อนกว่า มันเกือบจะเหมือนกันทั้งหมดโดยมีความแตกต่างของความหนาแน่นไม่ใหญ่กว่า 1 ส่วนใน 100,000
ดังนั้นไม่ใช่ว่ารัฐจะมีดาวอย่างมีความสุข
ยุคมืด
ในช่วงหลายล้านปีหลังจากการปลดปล่อย CMB (รู้จักกันในชื่อ "การรวมตัวกันใหม่" ในแวดวงดาราศาสตร์เนื่องจากความเข้าใจผิดทางประวัติศาสตร์ของยุคก่อนหน้านี้) จักรวาลอยู่ในสภาวะแปลก มีการแผ่รังสีสีขาว - ร้อนอาบน้ำถาวร แต่รังสีนั้นเย็นลงอย่างรวดเร็วเมื่อเอกภพยังคงขยายตัวไม่หยุดยั้ง แน่นอนว่ามีสสารมืดอยู่ในใจโดยคำนึงถึงธุรกิจของตัวเอง และมีก๊าซเป็นกลางตอนนี้เกือบทั้งหมดไฮโดรเจนและฮีเลียมในที่สุดก็ปล่อยออกมาจากการต่อสู้กับรังสีและเป็นอิสระที่จะทำตามที่มันพอใจ
และสิ่งที่น่ายินดีก็คือออกไปเที่ยวกับตัวเองให้มากที่สุด โชคดีที่มันไม่ต้องทำงานหนักมาก: ในเอกภพในยุคแรก ๆ ความผันผวนของควอนตัมด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ขยายใหญ่จนกลายเป็นความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในความหนาแน่น (และสาเหตุที่เกิดขึ้นเป็นเรื่องของวันอื่น) ความแตกต่างของความหนาแน่นเล็ก ๆ เหล่านี้ไม่ได้ส่งผลกระทบต่อการขยายตัวของเอกภพ แต่มันส่งผลกระทบต่อชีวิตของไฮโดรเจนที่เป็นกลางนั้น แพทช์ใดก็ตามที่มีความหนาแน่นสูงกว่าค่าเฉลี่ยเล็กน้อยแม้แต่นิดเดียวก็มีแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วงที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อย แรงดึงที่เพิ่มขึ้นนั้นสนับสนุนให้มีก๊าซมากขึ้นในการเข้าร่วมปาร์ตี้ซึ่งขยายแรงโน้มถ่วงให้สูงขึ้นซึ่งเป็นกำลังใจให้กับเพื่อนบ้านมากขึ้นเรื่อย ๆ
เช่นเดียวกับเสียงเพลงในงานปาร์ตี้ที่บ้านซึ่งทำหน้าที่เป็นเพลงไซเรนเพื่อกระตุ้นให้ผู้นิยมมากขึ้นในช่วงเวลาหลายล้านปีที่ก๊าซที่อุดมสมบูรณ์ยิ่งขึ้นและก๊าซที่ไม่ดีก็ยากจนลง ด้วยแรงโน้มถ่วงที่เรียบง่ายความแตกต่างของความหนาแน่นเพียงเล็กน้อยก็เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การสร้างกลุ่มของสสารขนาดใหญ่เป็นครั้งแรกและกำจัดสิ่งรอบตัวออก
"รุ่งอรุณของจักรวาล" หยุดพัก
ที่ไหนสักแห่งบางแห่งไฮโดรเจนเป็นกลางชิ้นหนึ่งโชคดี ชั้นซ้อนทับบนชั้นที่ท่วมท้นในแกนกลางสุดถึงอุณหภูมิและความหนาแน่นที่สำคัญบังคับให้นิวเคลียสอะตอมมารวมกันในรูปแบบที่ซับซ้อนติดไฟในนิวเคลียร์ฟิวชั่นและเปลี่ยนวัตถุดิบเป็นฮีเลียม กระบวนการที่ดุร้ายนั้นก็ปล่อยพลังงานออกมาเล็กน้อยและในพริบตาดาวดวงแรกก็ถือกำเนิดขึ้น
นับเป็นครั้งแรกนับตั้งแต่ช่วงสิบนาทีแรกของบิกแบงปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นในจักรวาลของเรา แหล่งกำเนิดแสงใหม่ที่กระจายอยู่ทั่วจักรวาลทำให้เกิดช่องว่างที่ครั้งหนึ่งเคยว่างด้วยรังสี แต่เราไม่แน่ใจอย่างแน่นอนว่าเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อใด การสังเกตของยุคนี้เป็นเรื่องยากเหลือเกิน ระยะทางเอกภพอันกว้างใหญ่นั้นป้องกันไม่ให้แม้แต่กล้องโทรทรรศน์ทรงพลังที่สุดของเราจากการสังเกตแสงแรก สิ่งที่ทำให้แย่ลงคือเอกภพยุคแรกเกือบเป็นกลางทั้งหมดและก๊าซที่เป็นกลางไม่ปล่อยแสงมากในตอนแรก มันไม่ได้จนกว่าดาวฤกษ์หลายชั่วอายุจะรวมตัวกันเพื่อก่อตัวกาแลคซีที่เราสามารถบอกใบ้ถึงวัยที่สำคัญนี้ได้
เราสงสัยว่าดาวดวงแรกก่อตัวขึ้นที่ไหนสักแห่งภายในสองสามร้อยล้านปีแรกของจักรวาล ไม่มากในภายหลังว่าเรามีการสังเกตโดยตรงของกาแลคซีนิวเคลียสกาแล็กซี่ที่แอคทีฟและแม้กระทั่งจุดเริ่มต้นของกระจุกกาแลคซี - โครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดที่จะเกิดขึ้นในที่สุดในจักรวาล บางครั้งก่อนที่พวกเขาดาวดวงแรกจะมาถึง แต่ไม่เร็วเกินไปเพราะเงื่อนไขที่น่าตื่นเต้นของจักรวาลทารกจะป้องกันการก่อตัวของพวกเขา
เหนือเส้นขอบฟ้า
แม้ว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ที่กำลังจะมาถึงจะสามารถระบุกาแลคซียุคแรกด้วยความแม่นยำที่ยอดเยี่ยม แต่มีข้อมูลมากมายในเอกภพยุคแรก แต่มุมมองที่แคบของกล้องโทรทรรศน์ไม่ได้ให้ภาพรวมของยุคนี้ นักวิทยาศาสตร์หวังว่ากาแลคซีแห่งแรกสุดบางแห่งอาจมีดาวดวงแรกเหลืออยู่ - หรือแม้แต่ดวงดาวเอง - แต่เราจะต้องรอดู (ตามตัวอักษร)
อีกวิธีหนึ่งในการปลดล็อกรุ่งอรุณของจักรวาลก็คือการเล่นโวหารที่น่าประหลาดใจของไฮโดรเจนที่เป็นกลาง เมื่อควอนตัมหมุนของอิเล็กตรอนและโปรตอนสุ่มไฮโดรเจนจะเปล่งรังสีของความยาวคลื่นเฉพาะ: 21 เซนติเมตร การแผ่รังสีนี้ช่วยให้เราสามารถจับแผนที่ไฮโดรเจนที่เป็นกลางในทางช้างเผือกในยุคปัจจุบันของเราได้ แต่ระยะทางไกลสุดถึงยุครุ่งอรุณของจักรวาลก่อให้เกิดความท้าทายที่แตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิง
ปัญหาคือจักรวาลขยายตัวตั้งแต่ยุคที่ตายมานานซึ่งทำให้รังสีจากอวกาศทั้งหมดแผ่ขยายออกไปสู่ความยาวคลื่นที่ยาวนานขึ้น ทุกวันนี้สัญญาณไฮโดรเจนที่เป็นกลางในยุคแรกนั้นมีความยาวคลื่นประมาณ 2 เมตรวางสัญญาณไว้อย่างมั่นคงในแถบคลื่นวิทยุ และสิ่งอื่น ๆ อีกมากมายในเอกภพ - ซุปเปอร์โนวาสนามแม่เหล็กกาแลคซีดาวเทียม - ค่อนข้างดังในความถี่เดียวกันนั้นบดบังสัญญาณจาง ๆ จากช่วงปีแรก ๆ ของจักรวาล
มีภารกิจหลายแห่งทั่วโลกที่พยายามกลับมาที่สัญญาณจักรวาลอันรุ่งโรจน์ของมันขุดเสียงกระซิบแรกเริ่มจากเสียงขรมวันปัจจุบันและเปิดเผยการเกิดของดาวดวงแรก แต่สำหรับตอนนี้เราจะต้องรอและฟัง
เรียนรู้เพิ่มเติมโดยการฟังตอน "เกิดอะไรขึ้นในตอนเช้าของจักรวาล" เกี่ยวกับพอดคาสต์ Ask A Spaceman มีอยู่ใน iTunes และบนเว็บที่ http://www.askaspaceman.com ขอบคุณ Joyce S. สำหรับคำถามที่นำไปสู่งานชิ้นนี้! ถามคำถามของคุณเองบน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือทำตาม Paul @ PaulMattSutter และ facebook.com/PaulMattSutter ติดตามเรา @Spacedotcom, Facebook และ Google+ บทความต้นฉบับบน Space.com
