В Темные века Вселенной плотный первичный газ поглощал и рассеивал свет, не позволяя ему путешествовать. Лишь когда первые звезды и галактики начали сиять в энергичном ультрафиолетовом свете, началась Эпоха реионизации. Мощный ультрафиолетовый свет прошёл через Вселенную и пробил дыры в газе, позволяя свету свободно распространяться.
Новые наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба показывают, как это произошло. Телескоп показывает, что слабые карликовые галактики положили конец тьме.
Вернуться назад во времени и ответить на фундаментальные вопросы о нашей Вселенной — это величайший дар космического телескопа Джеймса Уэбба. Мощный инфракрасный космический телескоп заглянул на самые ранние стадии жизни Вселенной и показал астрономам силы, которые ее сформировали. Один из наших самых больших вопросов о Вселенной касается Эпохи Реионизации (ЭОР), которая произошла через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, положившего конец Темным векам Вселенной.
Ученые не были уверены в источнике света, вызвавшем EOR. Первичным газом, который блокировал распространение света до EOR, был водород, и он составлял Межгалактическую среду (IGM). Только ультрафиолетовый свет более высокой энергии может ионизировать водород, поэтому астрономы искали источники ультрафиолетового света. (Гамма-лучи и рентгеновские лучи тоже могут, но не было достаточно источников, чтобы вызвать EOR.) Кандидатами были звезды населения III, самые первые звезды, сформировавшиеся во Вселенной. Они были массивными и светящимися и могли обеспечить необходимый ультрафиолетовый свет.
Квазары были еще одним кандидатом, поскольку они излучают очень много света, превышающее порог, необходимый для ионизации водорода. Но их было недостаточно, чтобы вызвать МУН. Массивные галактики также рассматривались как кандидаты, но астрономы полагают, что они поглотили бы большую часть собственного света.
Кандидатами также были карликовые галактики. Фактически, какое-то время они были главными кандидатами, потому что они достаточно малы, чтобы их ультрафиолетовый свет мог легко рассеиваться. Это должны быть так называемые галактики, излучающие Лайман Континуум (LyC). У фотонов Лайманского континуума достаточно энергии, чтобы ионизировать водород, поэтому астрономы искали карликовые галактики LyC, которые их излучали. В 2022 году «Хаббл» обнаружил около 50 из них, и это помогло создать основу для понимания того, как карликовые галактики могут быть ответственны за EOR. Но те 50, которые обнаружил Хаббл, были местными, а не древними.
Но теперь у нас есть зоркий JWST и его пронзительный инфракрасный взгляд. Он способен видеть слабейший инфракрасный свет древней Вселенной. Даже мощному JWST нужна помощь, чтобы увидеть очень слабые карликовые галактики в ранней Вселенной. В сочетании с силой гравитационного линзирования космический телескоп смог увидеть некоторые из самых ранних галактик. Среди них были карликовые галактики LyC, одни из самых тусклых объектов ранней Вселенной.
«Это открытие раскрывает решающую роль, которую сыграли ультратусклые галактики в эволюции ранней Вселенной».
Ирина Чемеринская, Парижский институт астрофизики, Франция.
Эти результаты содержатся в новой исследовательской статье, опубликованной в журнале Nature под названием «Большинство фотонов, которые реионизировали Вселенную, пришли из карликовых галактик». Ведущий автор — Хаким Атек, астроном Парижского института астрофизики, CNRS, Университет Сорбонны, Париж.
Атек и его коллеги-исследователи обнаружили восемь ультратусклых карликовых галактик в ранней Вселенной. Вопреки прежним представлениям, эти восемь галактик были потрясающими излучателями ионизирующего излучения Лайманского континуума. Несмотря на кажущуюся слабость, они излучали в четыре раза больше ионизирующего излучения, чем считалось ранее. Это помогает закрепить их статус как объектов, ответственных за МУН.
«Это открытие раскрывает решающую роль, которую ультратусклые галактики сыграли в эволюции ранней Вселенной», — сказала член группы Ирина Чемеринская из Парижского института астрофизики во Франции. «Они производят ионизирующие фотоны, которые превращают нейтральный водород в ионизированную плазму во время космической реионизации. Это подчеркивает важность понимания галактик малой массы в формировании истории Вселенной».
Эти карликовые галактики были примерно в 100 раз менее массивными, чем Млечный Путь. Используя мощную спектроскопию JWST, астрономы смогли детально изучить свет этих маленьких, слабых галактик. Команда исследователей поняла, что если бы этих галактик было достаточно, они могли бы быть ответственны за EOR.
Поскольку каждая галактика излучала ионизирующее излучение, вокруг нее создавался пузырь прозрачного водорода. Эти пузыри росли, пока не перекрывались. В конце концов водород в IGM был ионизирован, и свет смог свободно распространяться. В то время как другие источники, такие как квазары и массивные галактики, могли создавать свои собственные пузырьки ионизированного водорода меньшего размера, именно пузырьки меньшего размера позволили Вселенной ионизироваться более однородно. Итак, эти карликовые галактики внесли большой вклад в архитектуру Вселенной.
«Эти космические электростанции в совокупности излучают более чем достаточно энергии для выполнения работы», — сказал ведущий автор Хаким Атек. «Несмотря на свой крошечный размер, эти маломассивные галактики являются плодовитыми производителями энергетического излучения, и их численность в этот период настолько значительна, что их коллективное влияние может изменить все состояние Вселенной».
В нынешнюю эпоху мы можем видеть другие галактики только из-за реионизации. Без него мы были бы окружены непрозрачным атомарным водородом. Итак, открытие того, что сделало галактику прозрачной, помогает объяснить Вселенную, в которой мы находимся сегодня.
Ученые еще не закончили подобные наблюдения. Хотя эти исследователи обнаружили восемь карликовых галактик, которые могут помочь объяснить EOR, необходима более полная картина их населения, чтобы твердо установить, что они являются основной причиной EOR. Предстоящая программа наблюдений JWST под названием GLIMPSE будет изучать карликовые галактики в ранней Вселенной с использованием JWST и гравитационного линзирования. Астрономы хотят знать, насколько распространены эти ранние карликовые галактики, чтобы они могли еще больше ограничить их вклад в EOR.
