Kaip gimė pirmosios galaktikos po Didžiojo sprogimo? Kosmoso istorija per kelias minutes

Pirmosios galaktikos susiformavo, kai Visatai tebuvo keli šimtai milijonų metų, tačiau iki šiol apie šį laikotarpį žinome gerokai mažiau nei apie vėlesnes kosmoso epochas. Šiandien nauji kosminiai teleskopai leidžia pažvelgti beveik iki pačių pradžių ir geriau suprasti, kaip iš karštos plazmos atsirado sudėtingos žvaigždžių salos.

Šis laikotarpis svarbus ne tik astronomams: būtent tuomet susiklostė sąlygos, nulėmusios ir mūsų Paukščių Tako, ir Saulės sistemos, ir galiausiai Žemės atsiradimą. Suprasdami pirmųjų galaktikų gimimą, geriau matome ir savo vietą Visatos istorijoje.

Kas buvo prieš galaktikas?

Pagal šiuo metu priimtą kosmologinį modelį, Visata prasidėjo Didžiuoju sprogimu, po kurio iškart buvo labai karšta ir tanki. Pirmosiomis sekundėmis ir minutėmis susiformavo lengviausi elementai: vandenilis, helis ir šiek tiek ličio, tačiau sudėtingesni atomai dar neegzistavo.

Artėjant prie 380 000 metų ribos po Didžiojo sprogimo, Visata plėtėsi ir vėso, o plazma virto neutralių atomų mišiniu. Šiuo metu atsirado vadinamoji kosminė foninė spinduliuotė, kurią šiandien registruoja radioteleskopai ir kuri yra vienas svarbiausių kosmologinių stebėjimų.

Tankio netolygumų pėdsakai

Net ir labai ankstyvoje Visatoje medžiaga pasiskirstė ne visiškai tolygiai: kai kuriose vietose ji buvo vos truputį tankesnė nei kitur. Šie menki tankio skirtumai iš pradžių buvo mikroskopiniai, tačiau ilgainiui juos sustiprino gravitacija.

Gravitacija traukė dujas į tankesnius regionus, todėl ten susidarė vis didesni medžiagos sankaupos telkiniai. Būtent iš jų vėliau išaugo didesnės struktūros: žvaigždžių spiečiai, galaktikos ir ištisi galaktikų spiečiai.

Tamsioji materija kaip nematomas karkasas

Didelį vaidmenį pirmųjų galaktikų gimime turėjo tamsioji materija, kurios sudėtį mokslininkai dar tik bando išsiaiškinti. Ji nespindi ir nesąveikauja su šviesa, tačiau stipriai veikia per gravitaciją, formuodama savotišką nematomą kosminį karkasą.

Tamsiosios materijos sankaupos veikė kaip gravitaciniai „duburiai“, į kuriuos byrėjo paprastoji, matoma medžiaga. Šiuose „duburiuose“ dujos tankėjo, vėso ir sudarė sąlygas užgimti pirmosioms žvaigždėms ir galaktikoms.

Pirmosios žvaigždės ir kosmoso „užsidegimas“

Skaičiavimai rodo, kad pirmosios žvaigždės galėjo užsižiebti, kai Visatai buvo apie 100–200 milijonų metų. Tai buvo milžiniški, labai karšti ir trumpai gyvenantys šviesuliai, daug masyvesni už dabartinę Saulę.

Šių žvaigždžių spinduliuotė ir supernovų sprogimai pakeitė aplinkines dujas, jas pašildė ir į kosmosą paskleidė sunkesnių cheminių elementų. Be šių elementų nebūtų nei uolinių planetų, nei vandens, nei gyvybei būtinų junginių.

Galaktikų augimas ir susiliejimai

Ankstyvosios galaktikos greičiausiai buvo palyginti mažos ir netvarkingos, dažnai primenančios padrikus žvaigždžių gumulus. Laikui bėgant jos augo prisitraukdamos naujų dujų ir susiliedamos tarpusavyje, todėl struktūros tapo masyvesnės ir labiau organizuotos.

Šie susiliejimai buvo gana audringi procesai, sukeliantys intensyvius žvaigždėdaros sprogimus ir kartais maitinančius aktyvius supermasyvių juodųjų skylių branduolius. Būtent per milijardus metų trukusį augimą iš mažų pirmykščių galaktikų susiformavo tokie milžinai kaip mūsų Paukščių Takas.

Kodėl matome praeitį žvelgdami į tolyn?

Kai žvelgiame į labai tolimas galaktikas, matome jas tokias, kokios jos buvo prieš milijardus metų. Šviesai reikia laiko, kad pasiektų mus, todėl itin tolima galaktika yra ir labai sena nuotrauka ankstyvosios Visatos.

Būtent šiuo principu remiasi šiuolaikinė stebimoji kosmologija: kuo giliau žiūrime į kosmosą, tuo ankstyvesnį laiką matome. Taip teleskopai tampa savotiškais laiko aparatais, leidžiančiais sekti galaktikų istoriją nuo jų gimimo iki dabartinių formų.

Ką atskleidžia modernūs teleskopai?

Kosminiai teleskopai, veikiantys infraraudonųjų spindulių ruože, itin svarbūs nagrinėjant ankstyvąsias galaktikas, nes jų šviesa dėl Visatos plėtimosi stipriai pasislenka į ilgesnes bangas. Tokie prietaisai leidžia aptikti labai silpnas, labai tolimas žvaigždžių sistemas.

Pastaraisiais metais astronomai jau užfiksavo kelias ypač senas galaktikas, kurios galėjo susiformuoti mažiau nei per 400 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Tai verčia tikrinti kosmologinius modelius ir ieškoti paaiškinimų, kaip struktūros galėjo taip sparčiai susikurti.

Klausimai, į kuriuos dar ieškoma atsakymų

Nors bendra pirmųjų galaktikų formavimosi schema aiškėja, daugybė detalių vis dar neatskleista. Ne iki galo žinoma, kokios buvo pirmųjų žvaigždžių masės, kiek jų susiformavo ir kaip tiksliai jos paveikė aplinką.

Taip pat tiriama, kaip greitai ankstyvosios galaktikos sukaupė supermasyvias juodąsias skyles, kurios šiandien stebimos beveik kiekvieno didelio galaktikos centro šerdyje. Šių klausimų atsakymai leis tiksliau suprasti ir vėlesnių kosminių struktūrų, tarp jų ir Paukščių Tako, raidą.

Kodėl mums tai turėtų rūpėti?

Pirmųjų galaktikų istorija nėra vien abstraktus kosminis pasakojimas, ji susijusi su mūsų pačių kilme. Be ankstyvųjų žvaigždžių ir galaktikų nebūtų cheminių elementų, iš kurių sudaryti Žemė, mūsų kūnai ir viskas aplink.

Be to, šis tyrimų laukas yra puikus pavyzdys, kaip veikia mokslinis metodas: stebėjimai, teoriniai modeliai ir skaitmeniniai skaičiavimai nuolat tikrinami ir koreguojami vienas kito atžvilgiu. Kiekvienas naujas tolimos galaktikos vaizdas gali patvirtinti arba suabejoti tuo, ką manėme žinantys apie Visatos pradžią.