Моделирование галактик, ионизирующих газообразный водород (яркие области) в эпоху реионизации. Фото предоставлены: М. Альварес, Р. Келер и Т. Абель / Европейская южная обсерватория (ESO).
Реионизация — это критический период, во время которого первые звезды и галактики изменили физическую структуру своего окружения и, в конечном итоге, всей Вселенной. Современные теории предполагают, что эта эпоха закончилась примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Однако, если бы этот рубеж был рассчитан с использованием наблюдений космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), реионизация закончилась бы как минимум на 350 миллионов лет раньше, чем ожидалось. Об этом говорится в новой статье, опубликованной в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества: письма».
За свою историю Вселенная претерпела несколько крупных изменений. В течение первых 380 000 лет после Большого взрыва это была горячая, плотная плазма из протонов и электронов. В конце концов, все достаточно охладилось, чтобы эти протоны и электроны объединились и образовали нейтральные атомы водорода. Затем, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, начали формироваться первые звезды и галактики, положив начало эре реионизации.
Эти первые звезды были огромными и горячими (ожидалось, что некоторые из них будут в 30–300 раз массивнее нашего Солнца) и излучали много энергии в виде крайнего ультрафиолетового света. Эта энергия была настолько интенсивной, что когда она ударялась о близлежащие атомы водорода, она расщепляла их на протоны и электроны в процессе, называемом ионизацией. Спустя сотни миллионов лет, когда почти весь водород во Вселенной был ионизирован, эра реионизации закончилась.
Учитывая, что около 75% всей материи составляет водород, это представляет собой огромную трансформацию. «Это последнее большое изменение», — объяснил Джулиан Муньос, доцент кафедры астрономии Техасского университета в Остине и ведущий автор исследования. «Они превратились из нейтральных, холодных и скучных в ионизированные и горячие. И это произошло не только с одной или двумя галактиками. Это случилось со всей вселенной».
«Этот процесс нагревал и ионизировал газ во Вселенной, что регулировало скорость роста и развития галактик», — добавил Джон Чисхолм, доцент кафедры астрономии UT в Остине и соавтор статьи. «Эти ранние звезды установили общую структуру галактик во Вселенной».
Поскольку астрономы не могут напрямую наблюдать процесс реионизации, им приходится использовать модели, чтобы предсказать, когда он закончится. Эти модели основаны на косвенных доказательствах, включая измерения того, сколько света пришло к нам от послесвечения Большого взрыва, так называемого космического микроволнового фона.
Еще одним доказательством является ранняя частота длины волны, связанная с энергетическими изменениями в водороде, так называемый лес Лайман-альфа. Оба помогают астрономам рассчитать, сколько водорода было преобразовано во время реионизации и сколько энергии потребовалось.
«Это бухгалтерская игра», — сказал Муньос. «Мы знаем, что весь водород до реионизации был нейтральным. Отсюда вам понадобится достаточно сильного ультрафиолета, чтобы расщепить каждый атом. Так что, в конце концов, вы можете посчитать, когда закончится реионизация».
Теперь космический телескоп Джеймса Уэбба бросает вызов устоявшимся моделям. Это позволяет астрономам заглянуть в космос глубже, чем когда-либо прежде, вглубь этой критической эпохи. Это приводит к множеству неожиданных наблюдений в ранней Вселенной, одно из которых — большее количество крайнего ультрафиолетового излучения, чем ожидалось. «JWST показал, что одних ярких галактик достаточно, чтобы ионизировать Вселенную», — сказал Чисхолм. «Это противоречит тому, чего ожидали многие люди».
Благодаря этим новым наблюдениям бухгалтерский учет начал давать сбои. «Если бы вы слепо доверяли Джеймсу Уэббу, он бы сказал, что реионизация закончилась через 550–650 миллионов лет после Большого взрыва, а не через текущую оценку в миллиард лет», — объяснил Муньос. «Если бы это было правдой, космический микроволновый фон выглядел бы иначе, и Лайманский Альфа-лес выглядел бы иначе. Поэтому есть напряжение».
Другими словами, маловероятно, что реионизация произошла на сотни миллионов лет раньше, чем предполагалось. Так что же происходит? Одним из объяснений может быть то, что в устоявшихся моделях отсутствует некоторая ключевая информация. Например, ионизированные протоны и электроны иногда сходились вместе, образуя нейтральные атомы водорода. Этот процесс называется рекомбинацией. Если бы это происходило чаще, чем предполагают современные модели, это могло бы привести к необходимости более сильного ультрафиолетового света для ионизации всей Вселенной.
«Нам нужны более детальные и глубокие наблюдения за галактиками и лучшее понимание процесса рекомбинации», — сказал Муньос. «Разрешение этой напряженности в отношении реионизации является важным шагом на пути к окончательному пониманию этого решающего этапа. Я с нетерпением жду того, что принесут ближайшие годы».
Среди других авторов исследования — Джордан Мироча из Лаборатории реактивного движения НАСА и Калифорнийского технологического института; Стивен Фурланетто из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; и Шарлотта Мейсон из Копенгагенского университета.
Информация от: Техасским университетом в Остине.
