Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Как только Вселенная остыла настолько, что электроны смогли воссоединиться (рекомбинировать) с ионами и тем самым сформировать нейтральные атомы, фотоны утратили способность взаимодействовать с обычным веществом. Атомы водорода, гелия и других легких изотопов, получив свободу, устремились к центрам притяжения, впервые установленным темной материей. Еще в конце XX века теоретики говорили о том, что после рекомбинации плотность окружающей среды и температура Вселенной должны были оказаться наиболее благоприятными для возникновения относительно небольших сгустков протяженностью в несколько сотен световых лет и массой около миллиона масс Солнца. Будь эти сгустки хоть немного меньше, их собственной гравитации уже не хватило бы для противодействия всепроникающему давлению газа; а также, что значительно важнее, уменьшились бы шансы при помощи тяготения отделить столь огромное облако от расширяющейся среды.

Численное моделирование, основанное на представлении разных сочетаний холодной темной материи, обычной материи и темной энергии (модель Лямбда-CDM [ΛCDM]), предоставило нам впечатляюще подробную картину зарождения космической паутины, а также галактик и галактических скоплений, сгустившихся в ней. Ни один отдельно взятый код не в состоянии охватить невероятный динамический диапазон пространственных масштабов и ассоциируемых с ними структур, поэтому большинство моделей специализируются на определенной области. В совокупности они показали, что первые галактики, по всей вероятности, походили не на диски и сфероиды, известные нам сегодня, а скорее на маринованные корнишоны. Может быть, именно их мы и видим на снимках «Хаббла» и в других глубоких обзорах неба. Кроме того, благодаря моделям мы узнали, что спиральные галактики по завершении своего формирования оказываются более упругими, чем ожидалось. Возможно, предстоящее столкновение Млечного Пути с галактикой Андромеды, до которого еще примерно 4 млрд лет, не будет таким катастрофическим, как полагали прежде.

И самое главное, численное моделирование выявило в галактиках сильную чувствительность к энергетической «обратной связи» от новорожденных звезд. В частности, самые массивные звезды производят интенсивное ультрафиолетовое излучение, порождают сильные ветры и, наконец, вызывают вспышки сверхновых, которые приводят к возмущениям в гравитирующих скоплениях темной и обычной материи. Возможно, этот сильный звездный «отклик» помогает замедлять формирование звезд, одновременно уменьшая общее число скоплений. И в то время как расчеты, связанные с образованием галактик в стандартной модели ΛCDM, предсказывают появление огромного роя «карликов» вокруг гигантской галактики, подобной Млечному Пути, добавление звездной «обратной связи», по всей видимости, устраняет эту проблему.

Реионизация космоса

Численные модели формирования галактик в окончательном итоге завершаются появлением «звездных кузниц». Однако до того, как в звездах начали создаваться элементы тяжелее гелия, самим звездам было очень сложно появиться в том виде, в каком они сегодня известны нам. При температурах в несколько сотен кельвинов атомы водорода и гелия излучают очень слабо и не могут избавиться от гравитационной энергии, унаследованной после коллапса родительских облаков, а значит, ни о каком дальнейшем охлаждении не может идти и речи. Учитывая такое положение дел, астрофизики предположили, что первые звезды в силу необходимости обладали невероятной массой и светимостью. Только очень массивное родительское облако могло бы иметь тяготение, способное противодействовать высоким температурам и давлениям, которые поддерживались бы в уплотняющемся водородно-гелиевом облаке.