Учёные недавно подробно описали самый глубокий взгляд на эпоху реионизации — период, когда густой "туман", препятствовавший распространению света, рассеялся и позволил звёздам и галактикам наконец засиять.
Об этой эпохе известно относительно немного, но новые наблюдения, полученные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, показывают, что звездообразование было широко распространено ещё тогда. Более того, излучение этого процесса сыграло значительную роль в прояснении облаков ранней Вселенной.
Исследование также демонстрирует возможности телескопа в изучении этого загадочного периода в истории нашей Вселенной и понимании процессов, происходивших, когда всё пространство было чем-то вроде горячего супа из материи.
Эпоха рекомбинации
Сейчас всё во Вселенной кажется относительно стабильным, но ранняя Вселенная, в первый миллиард лет после Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад, была временем быстрых изменений.
Изначально космос был заполнен горячим "мутным" туманом ионизированного газа. Этот газ был непроницаем для света: фотоны попросту рассеивались во все стороны на свободно летающих электронах.
Когда газ начал остывать, протоны и электроны начали объединяться, образуя в основном нейтральные атомы водорода и некоторое количество гелия. Этот период называют эпохой рекомбинации. Он имел место примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва. Это не совсем верное название, приставки ре- тут быть не должно, поскольку протоны и электроны не комбинировались раньше, но так уж его называют.
Однако это был первый крупный в истории Вселенной фазовый переход, который испытала материя. Когда все свободные электроны встали в атомы, свет смог двигаться свободно. Однако его было не так много, и космос оставался довольно тёмным.
Эпоха реионизации
Следующим фазовым переходом была реионизация. Учёные считают, что тогда облака нейтрального водорода начали формировать звёзды. Сгруппированные в галактики они облучали газообразную среду вокруг себя ультрафиолетовым излучением.
Это реионизировало газ, вновь выбивая из атомов электроны. Однако, поскольку пространство космоса к тому моменту уже немного расширилось, недавно ионизированный водород был достаточно рассеянным, чтобы продолжать пропускать свет.
Примерно через один миллиард лет после Большого взрыва космос стал полностью прозрачным.
Однако сейчас трудно понять, что происходило в эпоху реионизации.
Это происходило от нас во всех смыслах очень далёко. Объекты тех времён для современных телескопов очень тусклые. А ведь ещё и мешает много непрозрачного пространства, заслоняющего обзор.
Вот тут-то на сцену и выходит JWST с его выдающимися способностями. Инфракрасный космический телескоп был построен с учётом сложностей того периода истории Вселенной. Его мощные "глаза" с золотым напылением обнаруживают сигналы объектов, сияющих в далёкой темноте.
Международная группа астрономов во главе с Пьерлуиджи Ринальди из Университета Гронингена в Нидерландах в своей статье пишет, что с помощью JWST учёные нашли первое излучение эпохи реионизации на определённой длине волны спектральной линии водорода.
Это признак звездообразования. Массивные молодые звёзды испускают много ультрафиолетового излучения, которое отправляется в межзвёздную среду. Оно ионизирует нейтральный газообразный водород, который может там находиться. Это заставляет газообразный водород "светиться" на определенной длине волны. Это излучение и поймали астрономы.
Мы не знаем, что произвело ультрафиолетовый свет в эпоху реионизации (звёзды, галактики или квазары), но первое обнаружение этого излучния в то время является ключом к разгадке многих тайн.
Ринальди и его коллеги проанализировали сигнал и обнаружили, что за большей его частью стоит именно звездообразование.
Статья под руководством астронома Даити Касино из Университета Нагоя в Японии дополняет эту историю. Реионизация не была однородным процессом. Она происходила в "пузырях" вокруг самых ярких источников ультрафиолетового излучения. Касино и его коллеги использовали данные JWST, чтобы различить эти области, показав, что галактики также внесли значительный вклад в эффекты эпохи реионизации.
«Мы также измерили их размеры, — говорит Касино. — В данных "Уэбба" мы наблюдаем, как галактики реионизируют газ вокруг себя».
Эти "пузыри" имели диаметр около 4 миллионов световых лет (в то время).
Исследователи, работающие под руководством астрофизика Йоррита Матти в Швейцарской высшей технической школе Цюриха проанализированы характеристики "пузырей". Команда обнаружила, что те галактики были очень горячими, они содержали мало металлов и пыли и были очень активные.
«"Уэбб" показывает, что они активно формировали звёзды и, должно быть, порождали много сверхновых. У них была довольно авантюрная юность!», — говорит Матти.
Четвёртая работа, возглавляемая Анной-Кристиной Эйлерс из Массачусетского технологического института в Кембридже, была сосредоточена не на процессах реионизации, а на квазарах (ярких центрах галактик), которые наблюдал JWST.
Это одни из самых ярких объектов во Вселенной, галактики с активной сверхмассивной чёрной дырой в центре, пожирающей много материи ( из-за этого они периодически и "вспыхивают").
Когда этот свет движется к нам из дальних уголков Вселенной, он проходит через газ. Анализ света может многое рассказать о том, что находится в пространстве между ними и нами.
Работа группы также показала, что один квазар приютил сверхмассивную чёрную дыру по массе примерно в 10 миллиардов раз больше массы Солнца. Трудно объяснить, как именно он стал таким большим всего за один миллиард лет жизни Вселенной, но это станет предметом будущих исследований.
В общем, как пишут СМИ, мы пока едва поцарапали поверхность эпохи реионизации. Впереди ещё очень много исследований и открытий.
«Эти исследования открывают возможность изучения ранних галактик способом, который был невозможен ранее, — говорит Ринальди. — Самое замечательное то, что мы показали, что такие исследования можно регулярно проводить с помощью JWST». А именно с помощью инструмента MIRI.
Четыре статьи были приняты к публикации или уже были опубликованы в издании The Astrophysical Journal Letters: 1, 2, 3, 4.
Мы пишем про достижения науки, суперсовременные технологии и их внедрение, рассказываем о том, каким будет будущее.
Если вам нравятся наши новости, подписывайтесь на наш канал и не забывайте ставить лайки. Эти нехитрые действия помогают нам в развитии и сборе средств для финансирования проекта.
Также наши сообщества есть в Telegram, Twitter*, ВК, Facebook*, "Одноклассниках". Приходите, если вы бываете там чаще, чем на Дзене. Ищите нас по названию "Восемь красных линий".
*запрещены или заблокированы в РФ.