В ранней Вселенной газ между звездами и галактиками был непрозрачным - свет звезд не мог проникнуть сквозь него. Но через миллиард лет после Большого Взрыва газ стал полностью прозрачным. Почему? Новые данные от космического телескопа Джеймса Уэбба, принадлежащего NASA, позволили точно определить причину: звезды галактик излучали достаточно света, чтобы нагревать и ионизировать окружающий их газ, очищая газ на протяжении сотен миллионов лет.
Результаты, полученные исследовательской группой под руководством Саймона Лилли из ЭТГ Цюриха в Швейцарии, являются самыми новыми открытиями о периоде, известном как Эра Ре-ионизации, когда произошли революционные изменения во Вселенной. После Большого Взрыва газ во Вселенной был невероятно горячим и плотным. В течение сотен миллионов лет газ остывал. Затем Вселенная начала "повторяться". Газ снова нагревался и ионизировался - вероятно, из-за формирования ранних звезд в галактиках, и через миллионы лет становился прозрачным.
Исследователи долго искали доказательства, объясняющие эти преобразования. Новые результаты позволяют приоткрыть завесу в конце этого периода ре-ионизации. "Уэбб не только ясно показывает, что эти прозрачные области находятся вокруг галактик, но мы также измерили их размеры", объяснил Дайчи Кашино из Нагойского университета в Японии, главный автор первой статьи группы. "С помощью данных Уэбба мы наблюдаем, как галактики ионизируют окружающий их газ".
Эти области прозрачного газа огромны по сравнению с галактиками - представьте горячий воздушный шар с горошиной внутри. Данные Уэбба показывают, что эти относительно маленькие галактики инициировали реионизацию, очищая огромные области пространства вокруг них. В течение следующих ста миллионов лет эти прозрачные "пузыри" продолжали расти, объединяться и в результате сделали всю Вселенную прозрачной.
Команда Лилли специально выбрала время, близкое к концу Эры Ре-ионизации, когда Вселенная была не совсем прозрачной и не совсем непрозрачной - в ней содержались участки газа в различных состояниях. Ученые направили телескоп Уэбб в сторону квазара - чрезвычайно яркой активной сверхмассивной черной дыры, которая действует как огромный фонарь, освещая газ между квазаром и нашими телескопами. (Найдите его в центре этого изображения: он крошечный и розовый с шестью заметными дифракционными звездами).
По мере того как свет квазара проникал к нам через различные участки газа, он либо поглощался непрозрачным газом, либо свободно проникал через прозрачный газ. Революционные результаты команды стали возможными только благодаря совмещению данных Уэбба с наблюдениями центрального квазара с обсерватории У. М. Кека на Гавайях, а также с Телескопом очень большого объема Европейской южной обсерватории и Телескопом Магеллана в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. "Освещая газ по направлению к нам, квазар дает нам обширную информацию о составе и состоянии газа", объяснила Анна-Кристина Эйлерс из Массачусетского технологического института в Кембридже, главный автор еще одной статьи команды.
Затем исследователи использовали Уэбб для идентификации галактик вблизи этого направления и показали, что галактики обычно окружены прозрачными областями примерно в 2 миллиона световых лет в радиусе. Другими словами, Уэбб наблюдал за галактиками, очищающими пространство вокруг них в конце Эры Реионизации. Чтобы поставить это в перспективу, площадь, которую эти галактики очистили, примерно равна расстоянию между нашей Галактикой Млечный Путь и нашим ближайшим соседом, Андромедой.
Как выглядят эти галактики? "Они более хаотичные, чем галактики в ближайшей Вселенной", объяснил Йоррит Маттее, также из ЭТГ Цюриха и главный автор второй статьи команды. "Уэбб показывает, что они активно формировали звезды и должны были испускать множество сверхновых. У них была довольно приключенческая молодость!"
По пути Эйлерс использовала данные Уэбба, чтобы подтвердить, что черная дыра в квазаре в центре этой области является самой массивной, известной в ранней Вселенной, весом в 10 миллиардов раз больше массы Солнца. "Мы до сих пор не можем объяснить, как квазары смогли вырасти настолько большими на таком раннем этапе истории Вселенной", поделилась она. "Это еще одна головоломка для решения!" Прекрасные изображения от Уэбба также не показали никаких признаков того, что свет от квазара подвергся гравитационному линзированию, что обеспечивает определенность измерений массы.
Команда вскоре начнет исследования галактик в пяти дополнительных областях, каждая из которых закреплена за центральным квазаром. Результаты Уэбба по первой области были настолько ясными, что они не могли дождаться, чтобы поделиться ими. "Мы ожидали обнаружить несколько десятков галактик, существовавших во время Эры Ре-ионизации, но легко выбрали 117", пояснил Кашино. "Уэбб превзошел наши ожидания".
Оригинальная статья NASA: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/nasa-s-webb-proves-galaxies-transformed-the-early-universe
