Стандартна картина формування перших зірок і галактик базується на моделі холодної темної матерії, яка припускає, що більша частина первинної матерії складалася з небаріонних частинок. Вони слабко взаємодіють зі звичайною матерією і випромінюванням, а тому недоступні для астрономів.
Формування великомасштабних структур відбувалося ієрархічно внаслідок гравітаційної нестабільності флуктуацій ТМ. Першою руйнувалося гало темної матерії з масами близько 10^6 мас Сонця, які утворилися 100-200 мільйонів років після Великого вибуху.
Ці мінігало підготували “ями” для баріонного газу, який конденсувався завдяки охолодженню молекулярного водню (H2). Газ формував щільні згустки, згодом вони колапсували в зоряні гіганти з масами близько 100 мас Сонця або більше.
Таким чином виникає третя генерація зірок з унікальними характеристиками: хімічний склад (майже чистий водень і гелій), світність (дуже висока), часом життя (надто короткий).
Зорі III-ї групи закінчили своє існування і перетворились на перші чорні діри. Але вони встигли згенерувати важкі елементи та іонізуючу випромінювання.
Перші галактики - це вже інший час, 300-500 мільйонів років після Великого Вибуху. Гала темної матерії містять безліч мінігало, вони зливаються і утворюють спільний газовий резервуар. Газ охолоджується завдяки атомарному водню (HI) і формує зорі з різною масою.
Ці зорі називаються зорями популяції II, хоча вони мають меншу металічність, ніж зорі наступних поколінь. Зорі II також спричиняють вибухи наднових, космічні вітри та радіаційний тиск.
Очікувалось, що перші галактики будуть слабкими і малими, зі світністю близько 10^6-10^8 світності Сонця. Але проблема в тому, що... нібито перші зоряні системи, які знайшов телескоп Джеймс Вебб, здаються нам сучасними, без особливих відмінностей від своїх чисельних посестер. До того ж ми вимушені постійно відкидати назад час виникнення ранніх галактик. Дедалі гучніще лунають датировки в 100-200 мільйонів років після біг-бума, що здається малоймовірним. За умови правильності всіх космологічних розрахунків. Ну і вірності Стандартної моделі, звісно.
Альтернативні теорії
Стандартна картина формування перших зірок і галактик, однак, не позбавлена проблем і наукових викликів. Деякі з цих проблем випливають через обмеження або невизначеність спостережень, а іноді неточність комп'ютерних моделей.
По-перше, багато методологічних питань відносно “червонозоряних спостережень”, які пропускають деякі зоряні популяції через ефекти відбору, затемнення пилом або пилове забруднення.
По-друге, наявна математична фізика не охоплює деякі фізичні процеси або навіть масштаби. Завдяки чому “виникають” космічні артефакти, що не піддаються астрономічній класифікації.
Третій момент - набір космологічних параметрів залежить від отриманих даних (технологічні можливості) або методів, що використовуються.
Не забуваємо й про аномалії в моделюванні: відхилення в точності просторової картинки може сягати 100-1000 парсек.
Четверте - спостереження показують, що відношення зоряної маси до маси гало значно менше, ніж прогнозувалося стандартною моделлю. Тобто ефективність зореутворення в гало з низькою масою має бути меншою, ніж передбачається.
Відповідно, більшість альтернативних теорій первинних зореутворень орієнтовані на вирішення проблем Стандартної моделі. І залишається базовою для космології.
Тож, які допускаються рішення?
- Тепла темна матерія. Частинки ТМ мають ненульову теплову швидкість, яка пригнічує утворення структур на малих масштабах. Тепла темна матерія зменшувала кількість мінігало і затримувала формування перших зірок і галактик.
- Нечітка темна матерія (НТМ). Частинки ТМ мають дуже малу масу і велику довжину хвилі де Бройля, що змушує їх поводитися як квантова рідина. Вона створювала інтерференційні патерни і таким чином впливала на формування і динаміку перших зірок і галактик.
- У моделі само-взаємодіючої темної матерії частинки передають імпульс та енергію, змінюючи профілі густини і форми гало темної матерії. Вони також впливали на охолодження і колапс баріонного газу.
Деякі з альтернативних теорій передбачають зміни у властивостях або поведінці баріонної матерії. Наприклад, магнітні поля могли впливали на теплову та динамічну еволюцію первісного газу. Також вони корегували охолодження H2, фрагментацію та змінювали кутовий момент газу. Інакше кажучи, виникали сучасні класи зірок.
Такі теорії передбачають зміни у властивостях або поведінці випромінювання, наприклад, темне випромінювання, яке складається з різних частинок або полів, що слабко взаємодіють зі звичайною матерією. Такого роду випромінювання впливало на швидкість розширення та теплову історію всесвіту, перебудовувало енергетичний спектр та визначало анізотропію всесвіту.
Існує також теорія первісної негаусовості, яка могла бути породжена різними механізмами під час інфляції чи розігріву. Тому, вважають деякі науковці, покладатися виключно на заміри мікрохвильового фону не варто.
Аналогічна концепція була опублікована в Scientific American в 2009 році.
