«Эпоха реионизации» была критическим периодом космической эволюции и всегда очаровывала и озадачивала астрономов. В эту эпоху сформировались первые звезды и галактики, реионизировав облака нейтрального водорода, пропитавшие Вселенную. Это положило конец космическим темным векам и привело к тому, что Вселенная стала «прозрачной», что астрономы называют «космическим рассветом». Согласно нашим текущим космологическим моделям, реионизация заняла от 380 000 до 1 миллиарда лет после Большого взрыва. Это основано на косвенных доказательствах, поскольку астрономам не удалось напрямую взглянуть на эпоху реионизации.
Изучение этого периода явилось одной из основных причин развития Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), который использует свою мощную инфракрасную оптику, чтобы проникнуть за завесу «Темных веков». Наблюдения Уэбб показало, что в ранней Вселенной существовало гораздо больше галактик, чем ожидалось ранее. Согласно недавнему исследованию, это предполагает, что реионизация могла произойти быстрее и закончиться как минимум на 350 миллионов лет раньше, чем предсказывают наши модели. И снова возможность заглянуть в раннюю Вселенную создала противоречия с преобладающими космологическими теориями.
Исследование возглавил Джулиан Б. Муньос, доцент кафедры астрономии Техасского университета в Остине. К нему присоединился Джон Чисхолм, также доцент кафедры астрономии UT в Остине; Джордан Мироча, постдокторант НАСА в Лаборатории реактивного движения НАСА и Калифорнийском технологическом институте; Стивен Р. Фурланетто, доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, и Шарлотта Мейсон, доцент Центра космического рассвета Института Нильса Бора. Статья, описывающая их результаты, была опубликована в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.
Согласно современным космологическим моделям, Вселенная была заполнена горячей плотной плазмой протонов и электронов в течение первых 380 000 лет после Большого взрыва. В конце концов Вселенная достаточно остыла, чтобы протоны и электроны объединились и образовали нейтральный водород. Примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва начали формироваться первые звезды (Население III), которые были чрезвычайно массивными и горячими. Эти звезды объединились, чтобы создать первые галактики, и их ультрафиолетовый свет заставил нейтральный водород снова расщепиться на протоны и электроны (т. е. стать ионизированным).
Когда большая часть водорода во Вселенной была ионизирована (примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва), эра реионизации закончилась. В этот момент Вселенная была прозрачной, и свет того времени теперь виден в оптические телескопы. Как предположил Чисхолм в пресс-релизе UT в Остине, реионизация также сыграла важную роль в эволюции Вселенной. «Процесс нагревания и ионизации газа во Вселенной, который регулировал скорость роста и развития галактик. «Эти ранние звезды задали общую структуру галактик во Вселенной».
Прежде чем развернуть JWST, ученые полагались на измерения космического микроволнового фона (CMB), реликтового излучения Большого взрыва и леса Лайман-альфа – длины волны света, связанной с реионизацией водорода. Это дало астрономам представление о том, сколько энергии было доступно для реионизации («фотонный бюджет») и как долго она продолжалась. Как объяснил Муньос:
«[Reionization] это последнее большое изменение. Вы прошли путь от нейтрального, холодного и скучного до ионизированного и горячего. И это произошло не только с одной или двумя галактиками. Это произошло со всей вселенной. Это бухгалтерская игра. 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 закончилась реионизация».
Однако наблюдения с помощью JWST выявили вещи, которые бросают вызов общепринятым моделям. Это включает в себя большее количество галактик, которые производят больше ультрафиолетового излучения, чем считалось ранее. Эти результаты предполагают, что реионизация должна была закончиться через 550–650 миллионов лет после Большого взрыва, а не через 1 миллиард лет. Но если бы это было правдой, CMB и Лайман Альфа Лес выглядели бы по-другому. Короче говоря, между этими измерениями и УэббНаблюдения – как команда описывает в своем исследовании «кризис фотонного бюджета».
Подобно напряжению Хаббла, эти результаты предполагают, что в наших текущих космологических моделях чего-то не хватает. Одна из возможностей, которую исследовала команда, — это рекомбинация, при которой ионизированные протоны и электроны снова объединяются, образуя нейтральный водород. Именно это произошло через 380 000 лет после Большого взрыва, известного как «Эра рекомбинации». Если бы этот процесс происходил чаще, чем предполагают наши модели, это могло бы увеличить количество экстремального ультрафиолетового света, необходимого для реионизации Вселенной. Как объяснил Муньос, для подтверждения этой теории необходимы дополнительные наблюдения:
«Нам нужны более подробные и глубокие наблюдения за галактиками и лучшее понимание процесса рекомбинации. Разрешение этой напряженности, связанной с реионизацией, является важным шагом на пути к окончательному пониманию этой решающей фазы. Я с нетерпением жду того, что принесут ближайшие годы».
Дополнительная литература: Phys.org, MNRAS.
