Исследование, недавно опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, бросает вызов существующим теориям о реионизации Вселенной — важнейшему этапу её ранней эволюции. Этот период характеризовался значительными изменениями в физической структуре космоса, когда первые звёзды и галактики активно взаимодействовали с окружающим пространством. Согласно традиционным теориям, эпоха реионизации завершилась примерно через миллиард лет после Большого взрыва. Однако новые данные, полученные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), указывают на то, что этот процесс мог закончиться на 350 миллионов лет раньше.
Период реионизации: ключевой этап в истории Вселенной
Реионизация — это фаза, в которой Вселенная претерпела важнейшие изменения. Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва космос представлял собой горячую плазму, состоящую из протонов и электронов. Со временем температура снизилась, что позволило формироваться нейтральным атомам водорода. Но спустя около 100 миллионов лет появились первые звёзды и галактики, начав эпоху реионизации.
Эти первичные звёзды были массивными и горячими, выделяя огромное количество энергии в виде экстремального ультрафиолетового излучения. Это излучение было столь интенсивным, что расщепляло близлежащие атомы водорода на протоны и электроны через процесс ионизации. По мере того как водород в космосе становился ионизированным, завершилась эпоха реионизации, изменив структуру всей Вселенной.
Этот переход от холодного и нейтрального состояния к горячему и ионизированному газу имел ключевое значение для формирования галактик и дальнейшего развития космоса. «Это было последним значимым изменением в ранней истории Вселенной. Оно затронуло не одну галактику, а всю Вселенную», — объясняет Джулиан Муньос, ведущий автор исследования и профессор кафедры астрономии Техасского университета в Остине.
Вызов устоявшимся теориям
До появления JWST астрономы полагались на модели и косвенные доказательства, такие как космический микроволновый фон (послесвечение Большого взрыва) и лес Лайман-альфа, чтобы вычислить, когда реионизация завершилась. Эти данные использовались для расчёта энергии, необходимой для ионизации водорода, которого во Вселенной около 75%. Основываясь на этих данных, считалось, что этот процесс занял примерно миллиард лет.
Однако данные JWST дали неожиданно высокий уровень наблюдаемых галактик, испускающих экстремальное ультрафиолетовое излучение, достаточное для того, чтобы самостоятельно завершить процесс реионизации гораздо раньше. «JWST показал, что ярких галактик больше, чем мы предполагали, и их излучения достаточно для того, чтобы ионизировать Вселенную», — комментирует Джон Чисхолм, соавтор исследования и профессор астрономии в Техасском университете.
Новые вопросы и неизведанные пути
Эти неожиданные данные ставят под сомнение существующие модели. Если принять во внимание новые наблюдения, завершение реионизации могло бы произойти через 550–650 миллионов лет после Большого взрыва, а не через миллиард лет, как предполагалось ранее. Но такой ранний рубеж не согласуется с другими наблюдениями, такими как структура космического микроволнового фона и особенности леса Лайман-альфа.
Одна из возможных причин расхождений может быть связана с недооценкой процессов рекомбинации — когда ионизированные протоны и электроны снова соединяются, формируя нейтральные атомы водорода. Если этот процесс происходил чаще, чем это предполагается в текущих моделях, то требуемое количество ультрафиолетового света для полной ионизации Вселенной могло бы быть значительно выше.
«Мы нуждаемся в более детализированных и глубоких наблюдениях за галактиками, а также в лучшем понимании процессов рекомбинации, чтобы устранить расхождения в наших моделях», — отмечает Муньос. Новые данные от JWST открывают перед учёными невероятные возможности для дальнейших исследований и предоставляют инструменты для точного анализа этой важной фазы в истории Вселенной.
Значение для науки
Эпоха реионизации — это один из ключевых этапов эволюции Вселенной, который оказывает значительное влияние на формирование и развитие галактик, включая нашу собственную. Понимание этого процесса критически важно для того, чтобы разгадать тайны ранней Вселенной. Новые открытия, сделанные с помощью JWST, ставят под сомнение устоявшиеся модели и предлагают новое понимание того, как развивалась наша Вселенная на самых ранних этапах её существования.
В ближайшие годы наука, вероятно, получит ответы на многие вопросы о периоде реионизации. Новые данные будут способствовать дальнейшему пересмотру теорий и построению более точных моделей, объясняющих, как первые звёзды и галактики формировали облик нашей Вселенной.