右から左に時間をかけて、この視覚化は、宇宙の宇宙の夜明け後の中性水素のかすみから最初の星の形成を示しています。
（画像：©NASA / STScI）
ポールサッターは、オハイオ州立大学の天体物理学者であり、COSI科学センターの主任科学者です。サッターは、Ask a SpacemanとSpace Radioのホストでもあり、世界中のAstroToursをリードしています。 Sutterはこの記事をSpace.comのExpert Voices：Op-Ed＆Insightsに寄稿しました。
おそらく、過去100年間に宇宙を研究してきた中で最大の啓示は、私たちの家が時間とともに変化し進化することです。そして、星が動き回る、ガス雲が圧縮する、そして大規模な星が激変の爆発で死ぬようなマイナーで重要ではない方法だけではありません。いいえ、私たちの宇宙全体が遠い過去に2回以上その基本的な特性を変更し、地球規模、つまり普遍的な規模で内部状態を完全に変更しました。
たとえば、霧のかかった、よく覚えていない過去には、星がなかったという事実を考えてみてください。
最初のライトの前
私たちはこの単純な事実を知っています。なぜなら、宇宙全体を浸す弱いが持続的な放射の浴である宇宙マイクロ波背景（CMB）の存在のためです。ランダムな光子（少しの光）に遭遇した場合、それはCMBからのものである可能性が高くなります。その光は、宇宙のすべての放射線の99.99％以上を占めます。それは、宇宙がわずか270,000歳になったときの残りの遺物であり、高温の渦巻くプラズマから（正または負の電荷のない）中性のスープに移行しました。この遷移により、138億年の間に白熱放射が放出され、冷却されてマイクロ波に達し、今日検出できる背景光が得られました。 [宇宙マイクロ波背景：ビッグバンレリックの説明（インフォグラフィック）]
CMBのリリース当時、宇宙は現在の体積の約100万分の1で、数千度も暑かった。また、ほぼ完全に均一であり、密度差は100,000分の1以下でした。
ですから、星が楽しく存在できる状態ではありません。
暗黒時代
CMBのリリースから何百万年もの間（天文学界では「再結合」として愛称が付けられていたが、それ以前の時代の歴史的な誤解のため）、宇宙は奇妙な状態にあった。白熱放射の恒久的なバスがありましたが、宇宙はその容赦のない膨張を続けたので、その放射は急速に冷やされていました。もちろん、ダークマターがあり、自分のビジネスを気に掛けていました。そして、ほぼ中性のガス、ほぼ完全に水素とヘリウムがあり、最終的に放射線との闘いから解放され、好きなように自由にできるようになりました。
そして、喜んでやったのは、できるだけ多くの人と付き合うことでした。ありがたいことに、それは非常に一生懸命働く必要はありませんでした。非常に早い宇宙では、微視的な量子ゆらぎが密度のわずかな違いになるだけに拡大しました（そして、それが起こった理由は別の日の話です）。これらの小さな密度の違いは、より大きな宇宙論的膨張には影響しませんでしたが、中性水素の寿命に影響を与えました。平均よりもわずかに密度が高いパッチは、小さな、小さなビットでさえ、その近傍にわずかに強い引力がありました。その強化された引きはパーティーに加わるようにより多くのガスを奨励し、それは重力の綱引きを増幅し、それはさらに多くの隣人などを奨励した。
ハウスパーティーで大音量の音楽がサイレンの歌として働き、より多くの楽しみを奨励するように、何百万年にもわたってリッチガスがよりリッチになり、貧しいガスがより悪くなりました。単純な重力により、密度の小さな違いが大きくなり、最初の大量の物質の塊が形成され、その周囲が空になりました。
「宇宙の夜明け」が壊れる
どこかで、どこかで、中性水素のチャンクの一部がラッキーになりました。それ自体の圧倒的な層の上に層を積み重ねると、最も内側のコアが臨界温度と密度に達し、原子核を複雑なパターンで一緒に強制し、核融合で点火し、原料をヘリウムに変換します。その猛烈なプロセスも少しのエネルギーを放出し、瞬く間に最初の星が誕生しました。
ビッグバンの最初の十数分以来初めて、核反応が私たちの宇宙で起こりました。宇宙に点在する新しい光源が、かつて空だった空洞を放射線で満たしました。しかし、この重大なイベントがいつ発生したかは正確にはわかりません。この時代の観測は非常に困難です。まず、広大な宇宙距離は、私たちの最も強力な望遠鏡でさえ、その最初の光を観測することを妨げます。さらに悪いことに、初期の宇宙はほぼ完全に中性であり、中性ガスはそもそも多くの光を放出しませんでした。星の複数の世代が互いに接着して銀河を形成するようになるまでは、この重要な時代のかすかなヒントを得ることさえできません。
最初の星は、宇宙の最初の数億年の間にどこかに形成されたと思われます。銀河、活動的な銀河核、さらには銀河団の始まりさえも直接観測しているのは、かなり後のことです。宇宙で最終的に発生する最も巨大な構造です。彼らの少し前に、最初の星が到着しなければなりませんでしたが、それは早すぎることではありませんでした。それは、幼児宇宙の多忙な状態がそれらの形成を妨げたからです。
地平線上
今後のジェームズウェッブ宇宙望遠鏡は初期の銀河を非常に正確に特定でき、初期の宇宙に関する豊富なデータを提供しますが、望遠鏡の狭い視野はこの時代の全体像を与えません。科学者たちは、最も初期の銀河の一部に最初の星の残骸が含まれている可能性があることを願っています。
宇宙の夜明けを解き放つもう1つの方法は、中性水素の驚くべき奇妙な方法です。電子と陽子の量子スピンがランダムに反転するとき、水素は21センチという非常に特定の波長の放射を放出します。この放射線により、現代の天の川の中性水素のポケットを計画することができますが、宇宙の夜明けの時代への極端な距離は、まったく異なる課題をもたらします。
問題は、その長い死んだ時代から宇宙が拡大し、すべての銀河間放射がより長い波長に広がることです。現在、原始的な中性水素信号の波長は約2メートルで、信号を無線帯域にしっかりと配置しています。そして、超新星、銀河磁場、衛星など、宇宙の他の多くのものが同じ周波数で非常に騒々しく、宇宙の初期からのかすかな信号を覆い隠しています。
そのジューシーな宇宙の夜明けの信号に基づいて、今日の不協和音からその原始的なささやきを発掘し、最初の星の誕生を明らかにしようとする世界中のいくつかのミッションがあります。しかし、今のところは、待って聴くだけです。
「宇宙の夜明けを目覚めさせたもの」というエピソードを聞いて詳細をご覧ください。 iTunesおよびWebのhttp://www.askaspaceman.comで入手可能なAsk A Spacemanポッドキャストで。この作品につながった質問についてJoyce S.に感謝します！ Twitterで#AskASpacemanを使用するか、Paul @ PaulMattSutterおよびfacebook.com/PaulMattSutterをフォローして、質問を投稿してください。 @ Spacedotcom、Facebook、Google +をフォローしてください。 Space.comの元の記事。
