Новое исследование, опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, бросает вызов устоявшимся теориям о реионизации Вселенной. Реионизация — критический период, когда первые звёзды и галактики изменили физическую структуру своего окружения, а в конечном итоге и всей Вселенной. Устоявшиеся теории утверждают, что эта эпоха закончилась примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Однако, если бы этот рубеж был рассчитан с использованием наблюдений с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), то реионизация закончилась бы по крайней мере на 350 миллионов лет раньше, чем ожидалось.
На протяжении всей своей истории Вселенная претерпела несколько крупных изменений. В течение первых 380 000 лет после Большого взрыва она представляла собой горячую, плотную плазму протонов и электронов. В конце концов, всё остыло достаточно, чтобы протоны и электроны объединились и образовали нейтральные атомы водорода. Затем, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, начали формироваться первые звёзды и галактики, положив начало эпохе реионизации.
Те первые звёзды были огромными и горячими — некоторые предсказывали, что они были в 30-300 раз массивнее Солнца и излучали много энергии в форме экстремального ультрафиолетового излучения. Эта энергия была настолько интенсивной, что, когда она ударяла 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 стал ионизированным, эпоха реионизации закончилась.
Учитывая, что примерно 75% всей материи — это водород, это представляет собой колоссальную трансформацию. «Это последнее крупное изменение, которое должно произойти. Произошёл переход от нейтрального и холодного к ионизированному и горячему. И это произошло не только с одной или двумя галактиками. Это произошло со всей Вселенной», — объяснил Джулиан Муньос, доцент кафедры астрономии Техасского университета в Остине и ведущий автор статьи.
«Этот процесс нагревал и ионизировал газ во Вселенной, что регулировало скорость роста и эволюции галактик. В них ранние звёзды создали общую структуру галактик во Вселенной», — добавил Джон Чисхолм, доцент кафедры астрономии в Техасском университете в Остине и соавтор статьи.
Поскольку астрономы не могут наблюдать процесс реионизации напрямую, они используют модели, чтобы предсказать, когда он закончится. Эти модели основаны на косвенных доказательствах, включая измерения того, сколько света дошло до нас от послесвечения Большого взрыва, называемого космическим микроволновым фоном.
Источник: M. Alvarez, R. Kaehler, T. Abel / European Southern Observatory (ESO)
Другим доказательством является раннее обилие волны, связанной с изменениями энергии в водороде, называемой лесом Лаймана-альфа (Lyα-лес). Оба они помогают астрономам вычислить, сколько водорода было преобразовано во время реионизации, и, соответственно, сколько энергии потребовалось для этого.
«Это игра в бухгалтерию. Мы знаем, что весь водород был нейтральным до реионизации. С этого момента нужно достаточно сильного ультрафиолета, чтобы разделить каждый атом. Так что в нужно провести математические расчёты, чтобы выяснить, когда реионизация закончилась», — сказал Муньос.
JWST бросил вызов устоявшимся моделям. С его помощью астрономы могут заглянуть в космос дальше, чем когда-либо прежде, глубоко в эту критическую эпоху. Это приводит ко многим неожиданным наблюдениям в ранней Вселенной, одним из которых является большее, чем ожидалось, количество галактик, излучающих экстремальный ультрафиолет. «JWST показал, что ярких галактик достаточно, чтобы ионизировать Вселенную самостоятельно. Это противоречит тому, чего придерживались многие», — сказал Чисхолм.
С новыми наблюдениями старый подсчёт оказался неверным. «Если слепо доверять JWST, он показывает, что реионизация закончилась через 550–650 миллионов лет после Большого взрыва, а не через 1 миллиард лет, как сейчас оценивают. Если бы это было правдой, то космический микроволновый фон выглядел бы иначе, и лес Лайман-альфа выглядел бы иначе», — объяснил Муньос. Другими словами, маловероятно, что реионизация произошла на сотни миллионов лет раньше, чем предсказывалось. Одним из объяснений может быть то, что в устоявшихся моделях отсутствует некоторая ключевая информация. Например, иногда ионизированные протоны и электроны объединяются, чтобы заново сформировать нейтральные атомы водорода. Этот процесс называется рекомбинацией. Если бы это происходило чаще, чем предполагают современные модели, то это могло бы увеличить количество экстремального ультрафиолетового света, необходимого для ионизации всей вселенной.
«Нам нужны более подробные и глубокие наблюдения галактик , а также лучшее понимание процесса рекомбинации. Разрешение этого напряжения по поводу реионизации — ключевой шаг к окончательному пониманию этого поворотного периода. Я с нетерпением жду, что принесут нам ближайшие годы», — сказал Муньос.
Реионизация является важнейшим периодом в истории Вселенной, и понимание этого процесса имеет важное значение для понимания эволюции Вселенной и формирования галактик. Это исследование, вероятно, будет иметь значительные последствия для понимания ранней Вселенной.