Недавнее открытие одних из первых галактик во Вселенной освещает самую темную эпоху в истории космоса.
Тьма - это не всегда отсутствие света. Это также может быть неспособность света пройти очень далеко.
И точно так же, как самые яркие фары могут быть заблокированы густым туманом, так и первые звезды во Вселенной были окутаны своим непосредственным окружением. Астрономы называют этот период времени космическими темными веками, и они медленно разгадывают тайну того, как и когда он закончился.
Очевидная проблема заключается в том, что астрономы полагаются на свет. Без него трудно получить прямые данные наблюдений. Тем не менее, результаты, представленные в январе 2020 года на заседании Американского астрономического общества, показывают самые ранние прямые свидетельства того времени, когда космический туман поднимался, позволяя свету только родившейся вселенной беспрепятственно путешествовать.
Что породило туман?
Когда свет сталкивается с материей, может произойти много вещей. Свет может отскакивать, как если бы материя была зеркалом, или свет может пройти насквозь, как через стекло, или в некоторых особых случаях он может быть поглощен. Особые случаи происходят, когда энергия света точно соответствует переходу энергии в атоме, с которым он сталкивается. Когда это происходит, атом поглощает фотон света и использует эту энергию для повышения энергии своего собственного электрона.
В первые моменты после Большого взрыва вокруг не было атомов. Свет, однако, все еще не мог уйти далеко, потому что он рикошетил свободные электроны на каждом повороте. Затем образовались первые атомы водорода, и фотоны больше не отскакивали. Более того, энергии большинства фотонов в точности не соответствовали энергии водорода, поэтому они могли свободно отстреливаться во Вселенную. именно поэтому космический микроволновый фон, датируемый этим временем, часто называют "снимком" Вселенной спустя 380 000 лет после Большого взрыва.
Прошло еще несколько сотен миллионов лет. Водородный газ наполняет Вселенную. По мере того, как газ собирается под действием силы тяжести, рождаются первые звезды. Но вот в чем подвох: Так как звезды и газ сделаны из одного и того же материала, большая часть света, излучаемого звездами, находится в нужной стадии энергии, чтобы снова поглощаться водородом, окружающим их. Фотоны никогда не выходят из своего космического окружения. Для земных астрономов, оглядывающихся сегодня назад, звезды затуманиваются в тумане водорода.
Как поднялся туман?
Проходит больше времени. Галактики продолжают формировать звезды, и звезды продолжают светиться. Иногда фотону хватает энергии, чтобы полностью вытеснить электрон в атоме водорода, ионизируя его. У этого ионизированного водорода нет электронов, и поэтому он не поглощает свет. В результате, звездный свет свободно проникает мимо него.
Если дать достаточно времени, то фотоны будут ионизировать большую часть водорода, окружающего галактику, полностью очищая туман и позволяя звездному свету начать свое долгое путешествие по Вселенной к нам.
"Представьте себе взрывную волну, проходящую сквозь это облако газа, но это не звук", - сказал Джон Уиллис, астроном из Университета Виктории. "Это фотоны, и в основном эти фотоны и создают все больше и больше ионизированного газа, пока не доберутся до точки, где действительно могут устраниться".
Космическая эпоха, в которой это произошло, известна как эпоха реионизации. Астрономы считают, что она завершилась примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва - важной вехи в ранней вселенной. "Существует замечательный физический период, когда эта завеса нейтрального водорода приподнята", - сказал Уиллис. "Это период, когда астрофизика вещей, которые мы видим сегодня, только начинается".
Но реионизация была далеко не мгновенным процессом. "Реионизация не происходит по всей Вселенной в одно и то же время", - сказал Стивен Финкельштейн, астроном из Техасского университета в Остине. "Наверное, это немного несистематично."
То, что мы можем видеть
Финкельштейн и его коллеги наблюдали в ранней Вселенной скопление трех галактик, которые излучали свет как раз той энергии, которая нужна для того, чтобы выбить электрон из атома водорода. (Этот свет, называемый Лайман-альфа-излучением, испускается в ультрафиолетовой части электромагнитного спектра, но к тому времени, как он проходит через расширяющуюся Вселенную, чтобы достичь нас, он простирается в инфракрасное излучение).
Используя результаты исследования Cosmic Dawn Survey, в ходе которого на наличие инфракрасного света были исследованы некоторые из самых темных частей неба, учёные сузили область, которая оказалась особенно яркой. Затем они увеличили масштаб этой области с помощью телескопов Keck на Гавайях.
Астрономы до сих пор пытаются сузить окно времени, в котором произошла реионизация, а также точно определить, как она произошла. В то время как преобладающая теория заключается в том, что причиной этого был звездный свет, конкурирующая идея заключается в том, что за это был ответственен свет от супермассивных черных дыр.
Новое поколение телескопов, включая космический телескоп Джеймса Вебба и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп, как ожидается, в течение следующих нескольких лет взлетит на небо, чтобы попытаться ответить на эти вопросы. Более того, они смогут обнаружить длины волн, которые не были поглощены ранним водородным газом, который нынешние телескопы не могут увидеть. "Если вы посмотрите на длину волны, на которой поглощается водород, станет понятно, что это лишь завеса", - объяснил Уиллис.
И как только мы посмотрим сквозь эту завесу, кто знает, какие секреты ранней вселенной нас могут там ждать? "Происходили невероятные вещи", - сказал Уиллис. "Просто фотонам было трудно добраться до нас."