Результаты моделирования, опубликованные в журнале Nature , показывают, что черные дыры, образовавшиеся из первых звезд во Вселенной, нагревали газ в космосе гораздо позже, чем считалось ранее.
После Большого взрыва Вселенная остыла, и протоны и нейтроны могли образовать нейтральный водород. За несколько сотен миллионов лет первичный водород остыл. Со временем образовались первые звезды, галактики и черные дыры. Их рентгеновское излучение нагревало первичный водород, а УФ-излучение ионизировало его. Мы считаем, что Вселенная была ионизирована примерно через миллиард лет после Большого взрыва, а до того, как он произошел, она была нагрета.
Новые наблюдения и моделирование показывают нечто иное. Астрономы наблюдают прошлое даже за миллиарды лет. Свету от далеких объектов требуется много времени, чтобы достичь Земли. Именно благодаря этому исследователи могут заглянуть достаточно далеко, чтобы увидеть звезды, какими они были в ранней Вселенной. На основе этих наблюдений была скорректирована модель, в которой источниками рентгеновского излучения являются системы, известные как «двойные черные дыры». Это пары звезд, в которых более крупная звезда заканчивает свою жизнь сверхновой, а остаток от взрыва — черная дыра. Газ от звезды-компаньона притягивается к черной дыре и может стать излучателем рентгеновского излучения .
Результаты моделирования показывают, что первичный нейтральный водород нагревался гораздо медленнее, чем считалось ранее. Основываясь на наблюдениях близких двойных черных дыр, модель, которая теперь отдает предпочтение высокоэнергетическому рентгеновскому излучению (предыдущая модель отдавала предпочтение низкоэнергетическому рентгеновскому диапазону), была скорректирована. Высокоэнергетическое рентгеновское излучение распространяется дальше, чем низкоэнергетическое излучение, прежде чем оно будет поглощено газом, и тогда нагретый водород становится более однородным. При этом, что не очевидно, в материю уходит меньше энергии излучения. Это связано с расширением Вселенной.
Рентгеновские лучи очень хорошо нагревают среду, но плохо ее ионизируют. это ультрафиолетовое излучениеон главный «виновник» того, что водород в межгалактической среде сегодня ионизирован. Рентгеновская модель была усовершенствована , но модель УФ-излучения осталась неизменной, а это означает, что УФ запускает процесс ионизации среды (так называемая реионизация или вторичная ионизация, т. второй раз), когда водород еще холодный.
До сих пор считалось, что нагрев Вселенной произошел очень рано. Исследователи показали, что точная картина того, когда произошел нагрев, зависит от точности определения энергии наблюдаемого рентгеновского излучения от двойных черных дыр.
Чтобы иметь возможность проводить радионаблюдения водорода в ранней Вселенной и следить за процессом реионизации, строятся дополнительные сети радиотелескопов (LOFAR, SKA, PAPER, HERA). Известно, что сигнал будет сильно загрязнен другими источниками и его будет трудно идентифицировать. Однако несколько характерных признаков позволили бы идентифицировать нейтральный водород и последующие этапы его ионизации, а значит, и эволюцию источников ионизации — первых звезд, галактик и черных дыр. Если бы водород был нагрет рентгеновскими лучами более равномерно, выявить эти характеристики было бы гораздо труднее. В то же время благодаря этому исследованию можно несколько модифицировать работу нынешних и будущих приборов, задачей которых является обнаружение сигнала нейтрального водорода.
Результаты моделирования показывают, что радиотелескопы также можно использовать для непосредственного наблюдения за нагревом космоса ранними черными дырами. Излучение далекого нейтрального водорода позволит нам косвенно изучить, как формировались первые звезды, не дожившие до наших времен.