Новые наблюдения с помощью телескопа "Джеймс Уэбб" показали, что карликовые галактики в ранней Вселенной испустили достаточно коллективного излучения, чтобы навсегда изменить космос.
Астрономы с помощью телескопа "Джеймс Уэбб" и эффекта, предсказанного Альбертом Эйнштейном более 100 лет назад, обнаружили, что маленькие галактики в раннем космосе обладали огромной силой, сформировав всю Вселенную, когда ей было менее миллиарда лет.
Международная группа исследователей обнаружила, что галактики, похожие на современные карликовые галактики, сыграли важную роль на важном этапе космической эволюции, который произошел между 500 и 900 миллионами лет после Большого взрыва.
По словам ученых, эти маленькие галактики значительно превосходили по численности более крупные галактики в младенческой Вселенной, и, скорее всего, именно эти сферы поставляли большую часть энергии, необходимой для процесса, называемого космической реионизацией. Космическая реионизация имела решающее значение для роста и развития Вселенной.
"Мы действительно говорим о глобальной трансформации всей Вселенной", - сказал Хаким Арек, ведущий автор исследования и астроном из Парижского астрофизического института, в интервью родственному сайту Live Science - Space.com.
"Главный сюрприз заключается в том, что эти маленькие, слабые галактики обладали такой мощью, что их суммарное излучение могло преобразить всю Вселенную".
Маленькие движущие силы, стоящие за большими изменениями
До того как прошло около 380 миллионов лет после Большого взрыва, в период, называемый эпохой рекомбинации, произошли значительные изменения во Вселенной. В настоящее время ей 13,8 миллиардов лет, и она стала непрозрачной и темной. Это произошло потому, что в плотном и сверхгорячем состоянии свободные электроны бесконечно отскакивали вокруг частиц света, называемых фотонами.
Через 400 миллионов лет образовались первые звезды и галактики — тогда, в эпоху реионизации, нейтральный водород, преобладающий элемент во Вселенной, превратился в заряженные частицы.
Эти частицы называются ионами. Ионизация вызвана тем, что электроны поглощают фотоны и увеличивают свою энергию, вырываясь из атомов. До сих пор ученые не были уверены, откуда взялось это ионизирующее излучение.
В период рекомбинации Вселенная расширилась и остыла, в результате чего электроны смогли соединиться с протонами, образуя первые атомы водорода. Теперь свободные электроны исчезли, фотоны получили возможность свободно передвигаться, и "темный век" Вселенной завершился.
Это привело к тому, что космос стал пропускать свет, известный как "первый свет". Его можно сегодня увидеть в виде космического микроволнового фона (CMB).
Электроны и протоны обладают противоположными электрическими зарядами, поэтому первые образованные атомы были электрически нейтральными. Однако затем произошел еще один процесс.
Сначала образовались звезды и галактики, а затем в эпоху реионизации нейтральный водород, преобладающий во Вселенной, стал превращаться в заряженные частицы – ионы.
Среди подозреваемых источников излучения, ответственных за реионизацию, были сверхмассивные черные дыры, которые питаются газом из окружающих их аккреционных дисков, что приводит к выбросу высокоэнергетического излучения.
Также возможными источниками могли быть крупные галактики с массой более одного миллиарда Солнц и галактики меньших размеров с массой ниже этой.
На самом деле, мы обсуждали этот вопрос на протяжении десятилетий: что первично - массивные черные дыры или массивные галактики. Существуют даже экзотические объяснения, например, аннигиляция темной материи, которая может создавать ионизирующее излучение".
"Одним из главных кандидатов были галактики, и теперь мы показали, что вклад малых галактик очень значительный".
"Мы не ожидали, что малые галактики будут так эффективно производить ионизирующее излучение. Это в четыре раза больше, чем мы ожидали, даже для галактик нормального размера".
Идентификация небольших карликовых галактик в качестве основных источников ионизирующего излучения долгое время была сложной задачей из-за их слабой светимости.
"Было трудно получить такие данные и наблюдения, но JWST обладает спектроскопическими возможностями в инфракрасном диапазоне. На самом деле, одна из причин, по которой мы создали JWST, - это желание понять, что происходило в эпоху реионизации".
Даже с учетом впечатляющей инфракрасной наблюдательной мощности JWST, обнаружение этих карликовых галактик было бы невозможным без помощи Альберта Эйнштейна и его теории общей относительности 1915 года, а именно, предсказанного им эффекта на свет.
Рука помощи от Альберта Эйнштейна
Общая теория относительности утверждает, что все объекты с массой искривляют пространство-время, которое является единым целым. Наш опыт гравитации возникает в результате этого искривления. Чем больше масса объекта, тем сильнее искривление пространства-времени. Следовательно, тем сильнее его гравитационное воздействие.
Эта кривизна не только определяет движение планет вокруг звезд и вращение звездных тел вокруг сверхмассивных черных дыр в центре их галактик, но и изменяет пути света от звезд.
Свет от фонового источника может проходить различные пути вокруг объекта переднего плана, когда он направляется к Земле. Чем ближе путь к объекту с большой массой, тем сильнее он "изгибается". Поэтому свет от одного и того же объекта может достигать Земли в разное время из-за объекта переднего плана, или "линзирования".
Это линзирование может сместить расположение фонового объекта на небе или привести к тому, что фоновый объект появится в нескольких местах на одном и том же изображении неба. В других случаях свет от фонового объекта усиливается, и таким образом объект увеличивается на небе.
Этот эффект называется "гравитационным линзированием", и телескоп JWST успешно использует его для наблюдения древних галактик на заре времен, которые иначе он не смог бы увидеть.
Для наблюдения за недавно изученными далекими и ранними карликовыми галактиками и анализа излучаемого ими света JWST использовал скопление галактик под названием Abell 2744 в качестве гравитационной линзы.
"Даже для JWST эти маленькие галактики очень слабые, поэтому нам потребовалось добавить гравитационное линзирование, чтобы усилить поток от них".
Раскрывая тайну реионизации, команда стремится расширить исследование до более широкого масштаба в рамках нового проекта JWST – GLIMPSE. Вначале планируется подтвердить, что место исследования представляет собой среднее распределение галактик во Вселенной. Цель – изучить формирование первых галактик, которые со временем превратились в современные галактики.
Спасибо за прочтение статьи. Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые интересные публикации.
