宇宙は存在する中で最も壮大な合併の物語です。神秘的な起源、光と闇の力、そして化学コングロマリット BASF を赤面させるほど複雑な化学を備えた、ビッグバン後の最初の瞬間から最初の星の形成までの旅は、さまざまな長さのスケールで一緒になった物語です。何桁も。この物語をまとめるために、科学者たちは空に目を向けただけでなく、宇宙の歴史の中で最も極端な環境のいくつかをシミュレートするために実験室にも目を向けました.結果の物語は驚きに満ちています。これらの中で最も重要なことは、しなかったことです。 起こりそうにないヒーローが演じる役割がなければ、起こらなかったでしょう.最も重要な 2 つは、少なくとも星の形成に関して言えば、生命が出現するために必要なより重い元素を生成したもので、少し驚くべきものです:暗黒物質と水素分子です。詳細はさておき、ここに彼らの話があります.
ダークマター
ビッグバンは、私たちがまだ完全には理解していないプロセスを通じて物質を作成しました。その大部分 (質量で約 84%) は、光と相互作用したり発光したりしない物質の形態でした。暗黒物質と呼ばれ、重力によってのみ相互作用するようです。残りの 16% はバリオン物質または通常物質と呼ばれ、私たちが家と呼ぶ日常の宇宙を構成しています。通常の物質は、光子を放出および吸収することによって、重力だけでなく電磁気的にも相互作用します (認識者によって放射線と呼ばれることもあり、専門用語では光として知られています)。
宇宙が膨張して冷却されると、ビッグバンからのエネルギーの一部が通常の物質、つまり電子、中性子、および陽子 (後者はイオン化された水素原子に相当) に変換されました。今日、陽子と中性子は原子核の中で快適に一緒に休んでいます。しかし、ビッグバンの数秒後、融合してより重い原子核を形成した陽子と中性子は、ガンマ線と呼ばれる高エネルギーの光子によって急速に吹き飛ばされました。ビッグバンの残留熱放射場は、それらの多くを提供しました。暑すぎて調理できませんでした。しかし、数秒後、放射温度が約 1 兆度ケルビンまで下がったとき、事態は好転しました。これは、私たちが慣れ親しんでいる 300 ケルビンの室温よりもかなり高温ですが、初期の宇宙における物質の違いの世界です。
より重い原子核は、ガンマ線の衝撃に耐えられるようになりました。原初の元素合成が開始され、核力が陽子と中性子を結合できるようになりましたが、宇宙の膨張によりこれらの核融合反応が継続するには寒くなりすぎました。この 20 分間で、宇宙は原子でいっぱいになりました。結果として得られた宇宙の元素組成は、水素が約 76%、ヘリウムが 24%、微量のリチウムで構成されていました。電子がこれらの原子核を安定して周回するには温度が高すぎたため、すべてイオン化されていました。そしてそれは、最初の星が形成され、周期表の他のすべての元素を作り始めるまで続きました.
しかし、これらの星が形成される前に、新しく形成された水素原子とヘリウム原子が集まって密集した雲を作る必要がありました。これらの雲は、宇宙のわずかに密度の高い領域が周囲から物質を重力で引き寄せたときに生成されたものと考えられます。問題は、初期の宇宙はこれが起こるのに十分な塊だったのでしょうか?
その質問に答えるために、現代の夜空を見ることができます。その中には、さらにかすかなパターンを持つマイクロ波放射のかすかな輝きが見られます。このいわゆる宇宙マイクロ波背景構造は、ビッグバンから 377,000 年後にさかのぼります。これは、宇宙の現在の年齢である 138 億年のほんの一部であり、今日生きている女性の平均寿命 81 年のうち 1 日未満に相当します。米国では。
その時、宇宙はちょうど約 3,000 ケルビンまで冷えていました。自由電子が陽子の周りの軌道に取り込まれ始め、中性の水素原子が形成されました。束縛されていない電子の散乱によって進行が妨げられていたビッグバンの閃光からの光子は、今や本質的に自由に宇宙全体に流れることができました.これらの光子は、わずか 2.7 ケルビンの極寒の温度で、今日も宇宙に浸透し続けており、地上、気球搭載、および衛星望遠鏡の配列を使用して測定した宇宙マイクロ波背景放射を構成しています。
これらの天空図は驚くべきことを示唆していました:ビッグバンからの残留熱の強さにより、初期の宇宙は滑らかすぎてガス雲が形成されませんでした。
暗黒物質に入ります。光と直接相互作用しないため、通常の物質を平滑化するのと同じ放射線の影響を受けませんでした。そのため、比較的高い凝集度が残っていました。それは、通常の物質ではなく、現代の宇宙構造を構成する星や銀河の形成を開始しました。暗黒物質の密度が平均以上の空間領域は、密度の低い領域から物質を重力で引き寄せました。暗黒物質のハローが形成され、他のハローと融合し、通常の物質が乗ってきました。
水素分子
宇宙が中立になると、ガスが雲になり始めました。通常の物質が暗黒物質の重力井戸に加速されると、重力ポテンシャルエネルギーが運動エネルギーに変換され、暗黒物質のハロー内に埋め込まれた高い運動エネルギーを持つ高速移動粒子の高温ガスが生成されます。約 1,000 ケルビンの温度から始まり、宇宙が約 5 億歳 (典型的な米国の女性の寿命の約 4 年) のときに、これらのガス雲は最終的に最初の星を誕生させました。
星が形成されるためには、ガス雲が特定の密度に達する必要があります。しかし、その構成分子が熱すぎてあらゆる方向に飛び回っている場合、この密度には到達できない可能性があります。星を形成する雲を作るための最初のステップは、ガス原子がその運動エネルギーを雲からより大きな宇宙に放射することによって減速することでした。この時までに、宇宙は 100 ケルビン未満に冷却されていました。
しかし、自分自身を冷やすことはできません。原子がビリヤード ボールのように衝突すると、運動エネルギーを交換します。しかし、気体の総運動エネルギーは変わりません。彼らは冷やすための触媒を必要としていました.
この触媒は水素分子 (電子を共有することで結合した 2 つの水素原子) でした。このダンベル型の分子に衝突した高温の粒子は、自身のエネルギーの一部を分子に伝達し、分子を回転させました。最終的に、これらの励起された水素分子は、雲から放出された光子を放出してエネルギーを宇宙に運ぶことにより、最も低いエネルギー (または基底) 状態に戻ります。
水素分子を作るには、原子ガスの雲が何らかの化学反応を起こす必要がありました。宇宙全体が 3 つの要素しかないことを考えると、何らかの化学反応が起こっていたと聞くと驚くかもしれません。しかし、初期のガス雲の最も洗練された化学モデルには、500 近くの可能な反応が含まれています。幸いなことに、水素分子の生成を理解するには、2 つの重要なプロセスだけに関心を持つ必要があります。
化学者は、臨床医が原始リチウムを処方する可能性があるDSM-Vのうち、精神医学的状態に適した名前である最初の反応連想剥離に名前を付けました.当初、ガス雲中の水素のほとんどは中性原子の形をしており、単一の陽子の正電荷は単一の軌道電子の負電荷によって相殺されていました。しかし、その原子のごく一部が 2 つの電子を捕獲し、負に帯電した水素イオンを生成しました。これらの中性水素原子と荷電水素イオンは互いに「会合」し、余分な電子を切り離し、中性水素分子を残します。化学表記では、H + H- → H2 と表すことができます。 + e-。結合分離によって水素原子の約 0.01% しか分子に変換されませんでしたが、そのわずかな割合で雲が冷却され始め、密度が高くなりました。
雲が十分に冷えて密度が高くなると、2 番目の化学反応が始まりました。三体連想といい、H+H+H→H2と書きます。 + H. このメナージュ・ア・トロワは、3 つの別々の水素原子で始まり、そのうちの 2 つが結合し、3 番目の水素原子が冷たく取り残された状態で終わります。三体の会合は、雲の残りの原子状水素の本質的にすべてを分子状水素に変換しました。すべての水素が完全に分子状になると、雲はそのガスが十分に凝縮して星を形成できるポイントまで冷却されました。
スター
密集した雲の形成から星の中心部での核融合の点火までは、それ以前のものをはるかに超える複雑なプロセスです。実際、利用可能な最も高度なコンピューター シミュレーションでさえ、オブジェクトが恒星サイズになり、融合が始まるポイントにはまだ到達していません。 2 億年のプロセスのほとんどをシミュレートするのは比較的簡単で、高速な並列処理コンピューターの能力を使用して約 12 時間しかかかりません。問題は最後の10,000年にあります。ガスの密度が上がるにつれて、雲の構造はますます急速に変化します。したがって、初期の場合は 10 万年ごとに雲がどのように変化するかを計算するだけでよいのに対し、最後の 1 万年では数日ごとに変化を計算する必要があります。必要な計算数のこの劇的な増加は、今日の最速のマシンで 1 年以上のノンストップ コンピューター時間に変換されます。これらの原初の雲で可能な開始条件の全範囲についてシミュレーションを実行することは、人間の生涯で達成できることを超えています。その結果、第一世代の星の質量分布はまだわかっていません。星の質量は、その中心部でどの要素を形成するかを決定するため、宇宙が生命に必要な要素を合成し始めた経路をたどる私たちの能力を妨げます.答えを待ちきれない私たちは、ムーアの法則というもう 1 つのヒーローを頼りにしています。
Daniel Wolf Savin は、コロンビア大学のコントラバス奏者である天体物理学者です。
