Международная группа ученых с помощью наблюдений за радиоизлучением линии нейтрального водорода выяснила, что первые звезды появились во Вселенной уже через 180 миллионов лет после Большого взрыва, а не через сотни миллионов лет, как было принято думать ранее. На данный момент не вполне ясно, как процесс образования звезд мог произойти так рано. Кроме того, выяснилось, что газ в ранней Вселенной имел температуру всего в 3,2 кельвина — вдвое ниже, чем считалось ранее. Ученые предполагают, что такая аномально низкая температура могла быть связана с влиянием темной материи. Статьи были опубликованы в журнале Nature.
Сразу после Большого взрыва Вселенная была наполнена горячей плазмой, непроницаемой для фотонов и слишком горячей для существования атомов и объектов на их основе. Через 380 000 лет она остыла достаточно, чтобы протоны и электроны, сливаясь, начали создавать атомы водорода. Сравнительно недавно считалось, что процесс образования атомов и медленное формирование скоплений газа, из которых возникли звезды, длился 550 миллионов лет. Предполагалось, что в этот период звезд не было, отчего его условно называли «Темные века». После образования звезд они своим излучением снова ионизировали прежде нейтральные атомы водорода, на чем «Темные века» закончились, и наступило более или менее современное состояние Вселенной. Как видно из этого описания, проверить его сложно. На границе между «Темными веками» и вторичной ионизацией свет первых появившихся звезд должен был поглощаться массами в основном еще не ионизированного газа. Чтобы прояснить, когда же на самом деле возникли первые звезды, астрономы в новой работе проанализировали излучение нейтральной линии водорода — самого распространенного элемента во Вселенной.
Оказалось, что на красных смещениях, соответствующих 180−270 миллионам лет после Большого взрыва (то есть формально — разгару «Темных веков»), на самом деле есть явные спектральные следы существования ярких звезд. Дело в том, что когда на водород действует интенсивное ультрафиолетовое излучение, он начинает поглощать часть фотонов реликтового излучения, пронизывающего всю Вселенную. И исследователям на самом деле удалось обнаружить «провал» в числе фотонов такого излучения для частот в 70−90 мегагерц, соответствующих указанному выше времени. Значимость открытия трудно переоценить. Получается, что период так называемых Темных веков был действительно темным (без светящихся объектов) менее 200 миллионов лет. А последующие 370 миллионов лет были достаточно насыщены звездами, которые просто не успели еще вторично ионизировать весь нейтральный водород, что и создавало ранее представления о длительных «Темных веках». Что еще важнее, сегодняшние модели формирования звезд из водорода и гелия практически не могут предложить сценарий столь быстрого возникновения древних светил. Вероятно, они сформировались как-то не так, как это представлялось ранее, с участием каких-то пока не вполне ясных механизмов. Это значит, что теоретикам предстоит предложить подобные механизмы для объяснения новых наблюдений.
Вторая работа концентрируется на другой стороне наблюдений — температуре газа в ранней Вселенной того же возраста. Она оценивается в 3,2 кельвина — это намного холоднее расчетных семи кельвинов, которые ранее считались типичными для той эпохи. Это весьма серьезное расхождение, поскольку объем этого слишком холодного газа очень велик. Его низкая температура означает, что огромное количество энергии, связанной с обычной материей, куда-то неучтенным образом делось, чего в теории быть не должно. Авторы второй работы отмечают эту проблему и предлагают попытку ее теоретического решения. Они выдвигают гипотезу, что газ ранней Вселенной каким-то неясным образом взаимодействовал с темной материей так, что ее частицы тормозили частицы материи обычной и тем самым снижали их температуру. Проблема этого объяснения в том, что оно хорошо работает, если частицы темной материи довольно легкие — порядка 4,3 гигаэлектронвольта. Это сильно меньше, чем физики и космологи ожидали ранее. Сейчас принято считать, что темная материя состоит из массивных частиц, где-то на 100 гигаэлектронвольт.