Авторы и права: НАСА / ЕКА / ККА / Иво Лаббе (Суинберн) / Рэйчел Безансон (Университет Питтсбурга) / Алисса Пэган (STScI)
Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва космос был очень темным местом. Сияние взрывного рождения Вселенной остыло, и пространство было заполнено плотным газом — в основном водородом — без источников света.
Медленно, в течение сотен миллионов лет, газ под действием силы тяжести стягивался в комки, и в конце концов комки стали достаточно большими, чтобы воспламениться. Это были первые звезды.
Сначала их свет не распространялся далеко, так как большая часть его поглощалась туманом из газообразного водорода. Однако по мере того, как образовывалось все больше и больше звезд, они производили достаточно света, чтобы сжечь туман, «реионизируя» газ, создавая прозрачную вселенную, усеянную яркими точками света, которые мы видим сегодня.
Но какие именно звезды произвели свет, который положил конец темным векам и вызвал так называемую «эпоху реионизации»? В исследовании, опубликованном в журнале Nature, мы использовали гигантское скопление галактик в качестве увеличительного стекла, чтобы рассмотреть слабые реликты того времени, и обнаружили, что звезды в маленьких, тусклых карликовых галактиках, вероятно, несут ответственность за эту трансформацию космического масштаба.
Что положило конец темным векам?
Большинство астрономов уже согласились с тем, что галактики были главной силой в реионизации Вселенной, но было неясно, как они это сделали. Мы знаем, что звезды в галактиках должны производить много ионизирующих фотонов, но этим фотонам необходимо покинуть пыль и газ внутри своей галактики, чтобы ионизировать водород в пространстве между галактиками.
Пока неясно, какие галактики смогут производить и излучать достаточно фотонов для выполнения этой работы. (И действительно, есть те, кто считает, что за это могли быть ответственны более экзотические объекты, такие как большие черные дыры.)
Среди приверженцев теории галактик существует два лагеря.
Первый считает, что ионизирующие фотоны были созданы огромными, массивными галактиками. В ранней Вселенной таких галактик было не так много, но каждая из них излучала много света. Так что, если бы определенной части этого света удалось уйти, этого могло бы быть достаточно, чтобы повторно ионизировать Вселенную.
Второй лагерь считает, что нам лучше игнорировать гигантские галактики и сосредоточиться на огромном количестве гораздо меньших галактик в ранней Вселенной. Каждый из них производил бы гораздо меньше ионизирующего света, но, учитывая их большое количество, они могли бы положить начало эпохе реионизации.
Увеличительное стекло шириной 4 миллиона световых лет.
Пытаться взглянуть на что-либо в ранней Вселенной очень сложно. Массивные галактики редки, поэтому их трудно найти. Меньшие галактики встречаются чаще, но они очень тусклые, что затрудняет (и дорого) получение высококачественных данных.
Мы хотели взглянуть на некоторые из самых тусклых галактик вокруг, поэтому использовали огромную группу галактик под названием Скопление Пандоры в качестве увеличительного стекла. Огромная масса скопления искажает пространство и время, усиливая свет от объектов позади него.
В рамках программы UNCOVER мы использовали космический телескоп Джеймса Уэбба для изучения увеличенных инфракрасных изображений слабых галактик за скоплением Пандоры.
Сначала мы рассмотрели множество разных галактик, а затем выбрали несколько особенно далеких (и, следовательно, древних) для более тщательного изучения. (Такое тщательное исследование стоит дорого, поэтому более детально мы смогли рассмотреть только восемь галактик.)
Яркое свечение водорода
Мы выбрали несколько источников, яркость которых в то время составляла около 0,5% от яркости нашей галактики Млечный Путь, и проверили их на предмет характерного свечения ионизированного водорода. Эти галактики настолько тусклые, что их вообще можно было увидеть только благодаря увеличивающему эффекту скопления Пандоры.
Наши наблюдения подтвердили, что эти маленькие галактики действительно существовали в очень ранней Вселенной. Более того, мы подтвердили, что они производят примерно в четыре раза больше ионизирующего света, чем мы считаем «нормальным». Это самый высокий предел того, что мы предсказывали, основываясь на нашем понимании того, как формировались ранние звезды.
Поскольку эти галактики производили так много ионизирующего света, лишь небольшой его части понадобилось бы уйти, чтобы реионизировать Вселенную.
Раньше мы думали, что около 20% всех ионизирующих фотонов должны покинуть эти меньшие галактики, чтобы они внесли основной вклад в реионизацию. Наши новые данные показывают, что даже 5% будет достаточно — это примерно та доля ионизирующих фотонов, которые мы видим, вылетающих из современных галактик.
Итак, теперь мы можем с уверенностью сказать, что эти меньшие галактики могли сыграть очень большую роль в эпоху реионизации. Однако наше исследование основывалось только на восьми галактиках, расположенных близко к одному лучу зрения. Чтобы подтвердить наши результаты, нам нужно будет посмотреть на разные части неба.
У нас запланированы новые наблюдения, которые будут нацелены на другие крупные скопления галактик в других частях Вселенной, чтобы найти еще более увеличенные и слабые галактики для тестирования. Если все пойдет хорошо, через несколько лет мы получим ответы.
Информация от: Разговором
