Астрономы заметили первые проблески Вселенной на заре времен
Примерно через миллиард лет после Большого взрыва Вселенная стала полностью прозрачной в результате "реионизации", происхождение которой остается во многом загадочным. Новые данные позволяют предположить, что это странное явление было вызвано излучением первобытных галактик. Это излучение должно было достаточно нагреть окружающий газ, чтобы реионизировать его и сделать прозрачным.
Первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва (более 13,8 миллиарда лет назад) представляют собой особенно нестабильный и изменчивый период. В течение первых нескольких тысяч лет во Вселенной преобладала дымка горячего ионизированного газа, состоящего из водорода (75%), гелия (25%) и незначительного количества лития и дейтерия. В течение этого периода, метко названного Темными веками, свет не мог проникать сквозь газ.
Прозрачность, позволяющая свету рассеиваться
Примерно через 300 000 лет после Большого взрыва непрозрачный газовый туман, доминировавший в ранней Вселенной, постепенно остыл, что позволило протонам и электронам объединиться и образовать атомы. Этот этап, известный как "рекомбинация" и длящийся 150 миллионов лет, является первой крупной переходной фазой Вселенной. Уменьшение числа свободных электронов позволило свету распространяться через газ. Однако в это время не существовало источников света, таких как звезды.
Чуть позже газ постепенно сгустился, что позволило сформироваться звездам и галактикам. Рождение этих галактик вызвало второй важный переходный этап, во время которого газ снова начал нагреваться, а затем реионизироваться. В результате этого явления примерно через миллиард лет после Большого взрыва Вселенная стала абсолютно прозрачной, что позволило свету свободно рассеиваться.
Ученые считают, что причиной реионизации стало высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение, испускаемое примитивными галактиками. Однако остатки той эпохи встречаются редко и находятся слишком далеко. Наши обычные телескопы, зрение которых в настоящее время затуманено миллиардами тонн материи, пока не смогли подтвердить эту теорию.
Сегодня космический телескоп Джеймса Уэбба меняет ситуацию, предоставляя новые данные, которые, похоже, подтверждают эту гипотезу. Дополненный несколькими ссылками анализ этих данных, опубликованный на сервере препринтов , окончательно приоткрывает завесу над этой загадочной фазой нашей Вселенной.
Реионизационные "пузыри"
Исследование, проведенное Гронингенским университетом в Нидерландах, основано на первом обнаружении специфической длины волны водорода, известной как "альфа-водород", испускаемой во время реионизации, что указывает на образование звезд. В действительности, неоднородность плотности, преобладавшая в этот период, была такова, что атомы водорода начали сталкиваться и сильно нагреваться. По мере того как газ продолжал коллапсировать, он накапливал огромное количество материи. В результате примитивные звезды были очень массивными и быстро эволюционировали в сверхновые или гиперновые. Эти крайне нестабильные звезды испускают высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение, которое поглощается окружающим газом. Реионизированный в ходе этого процесса водород испускает излучение определенной длины волны (альфа).
Данные голландских исследователей показывают, что наиболее мощные выбросы альфа-водорода соответствовали образованию примерно четверти от общей плотности звездного вещества. Эти результаты позволяют предположить, что эти два элемента играли ключевую роль в процессе реионизации Вселенной.
С другой стороны, японское дополняет эти данные, предполагая, что реионизация не была равномерным процессом, а постепенно распространялась, первоначально образуя своеобразные пузыри вокруг областей испускания ультрафиолетового излучения. ""Уэбб" не только четко показывает, что эти прозрачные области находятся вокруг галактик, но мы также измерили их размер", — объясняет ведущий автор исследования Даичи Кашино из Университета Нагои. "Благодаря данным "Уэбба" мы видим, как галактики реионизируют окружающий их газ", — добавляет он.
Эти прозрачные газообразные области были бы гигантскими (около 4 миллионов световых лет в диаметре) по сравнению с галактиками, а затем распространялись бы все дальше (излучение реионизирует атомы, возникающие в результате рекомбинации), чтобы в конце концов слиться и покрыть все пространство. Для аналогии, галактику можно сравнить с горошиной, подвешенной в центре воздушного шара. Более того, эти примитивные галактики (существовавшие уже через 900 миллионов лет после Большого взрыва) не имели никакого сходства с современными галактиками и были чрезвычайно активны.
Другая группа момент перед окончанием реионизации, когда Вселенная не была ни полностью прозрачной, ни полностью непрозрачной. Другими словами, когда существовали различные состояния газа. Для этого ученые направили телескоп Джеймс Уэбб на примитивный квазар, в центре которого находится очень активная и чрезвычайно светящаяся сверхмассивная черная дыра. Этот свет позволил выделить различные газообразные состояния между рассматриваемым квазаром и нашей точкой наблюдения.
Когда свет от квазара проходил через пространство, он либо поглощался непрозрачным (неионизированным) газом, либо проходил через прозрачный (ионизированный) газ. "Освещая газ вдоль нашей линии визирования, квазар дает нам подробную информацию о его составе и состоянии", — объясняет Анна-Кристина Эйлерс из Массачусетского технологического института. Эти данные позволили ученым определить галактики, расположенные вблизи этой линии визирования, и сделать вывод, что окружающие их прозрачные области имеют радиус около 2 миллионов световых лет.
Кроме того, Эйлерс и его команда установили, что черная дыра в центре этого квазара является самой массивной из известных в ранней Вселенной и составляет почти 10 миллиардов солнечных масс. На данный момент астрономы не могут объяснить причины такой массы. Однако благодаря "Джеймсу Уэббу" они смогли идентифицировать 117 галактик, существовавших с момента реионизации.