Когда воссияли звезды: ученые рассказали, какой была таинственная «эпоха Реионизации» на заре времен
В четырех отдельных статьях, принятых или опубликованных в The Astrophysical Journal (здесь, здесь, здесь и здесь), ученые подробно описали самый глубокий взгляд на период, известный как Эпоха Реионизации — время, когда густая завеса, препятствовавшая распространению света, наконец рассеялась, впервые позволив засиять во мраке космоса звездам и галактикам.
Об этой эпохе известно относительно немного, но новые наблюдения, полученные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, показывают, что звездообразование было распространено широко, и свет этого процесса сыграл значительную роль в прояснении облаков ранней Вселенной.
Исследование также коллективно демонстрирует возможности телескопа в изучении этого загадочного периода в истории нашей Вселенной и понимании процессов, происходящих, когда все еще было чем-то вроде горячего грязного супа из материи.
Туманное прошлое
Сейчас все во Вселенной кажется относительно стабильным, но раннее мироздание, в свой первый миллиард лет после Большого Взрыва, была временем быстрых изменений. Изначально космос был заполнен горячим мутным туманом ионизированного газа. Этот газ был непроницаем для света; фотоны просто рассеиваются на свободно летающих электронах.
Когда газ начал остывать, протоны и электроны начали объединяться, образуя в основном нейтральные атомы водорода и некоторое количество гелия. Тогда-то и начался период, известный как Эпоха рекомбинации, и произошло это примерно через 300 000 лет после Большого взрыва.
Это был первый крупный фазовый переход, испытанный газом в ранней Вселенной. Со всеми свободными электронами, связанными в атомах, свет мог двигаться свободно. Однаков в целом в мироздании было не так много светил и тем более планет, которые нужно освещать, так что космос оставался довольно темным.
Эпоха реионизации
Следующей фазой перехода была реионизация. Ученые считают, что сгустки нейтрального водорода начали формировать звезды, сгруппированные в галактики, облучая газообразную среду ультрафиолетовым светом.
Это реионизировало газ, выбивая из него электроны; однако, поскольку пространство немного расширилось, ионизированный водород был достаточно рассеянным, чтобы продолжать пропускать свет. Примерно через один миллиард лет после Большого взрыва космос стал полностью прозрачным.
Трудно понять, что именно происходило в Эпоху Реионизации. В пространстве-времени она отстроит от нас оченб далеко, объекты ее очень тусклые, а в космосе еще много непрозрачного пространства, заслоняющего наш обзор. Вот тут-то на сцене и появляется JWST. Инфракрасный космический телескоп был построен с учетом этого периода, и его мощный глаз с золотым напылением обнаруживает сигналы объектов, сияющих в далекой темноте.
В препринте, принятом The Astrophysical Journal, международная группа астрономов во главе с Пьерлуиджи Ринальди из Университета Гронингена в Нидерландах раскрывает первое обнаружение эпохи реионизации (EoR) определенной длины волны водорода, называемой водородом альфа.
Этот водород — один из признаков звездообразования. Массивные молодые звезды испускают много ультрафиолетового излучения, которое светит в межзвездную среду, ионизируя нейтральный газообразный водород, который может находиться в космическом пространстве. Это заставляет газообразный водород светиться на определенной длине волны — той самой альфа-линии водорода.
Мы не знаем, что произвело ультрафиолетовый свет в эпоху Реионизации, будь то звезды, галактики или квазары, но первое обнаружение альфа-водорода в то время, когда оно происходило, является сильным ключом к разгадке. Ринальди и его коллеги проанализировали сигнал и обнаружили, что за большей его частью стоит звездообразование.
«Мы пришли к выводу, — пишут они, — что сильные альфа-излучатели водорода произвели около четверти общей плотности скорости звездообразования [около 13 миллиардов лет назад], что предполагает, что они, вероятно, сыграли значительную роль в процессе реионизации».
Современные наблюдения
Статья под руководством астронома Даичи Кашино из Университета Нагоя в Японии дополняет эту историю. Реионизация не была однородным процессом; она происходила в карманах или пузырях вокруг самых ярких источников УФ-излучения, т. е. галактик. Кашино и его коллеги использовали данные JWST, чтобы различить эти карманы, показав, что галактики также внесли значительный вклад в эпоху Реионизации.
«Телескоп Уэбба не только ясно показывает, что эти прозрачные области находятся вокруг галактик, но мы также смогли измерили их размеры. С данными Уэбба мы наблюдаем, как галактики реионизируют газ вокруг себя», — отмечает Кашино.
Команда под руководством астрофизика Йоррита Матти из ETH Zürich в Швейцарии проанализировала характеристики этих «пузырей», диаметр которых составлял до 4 млн световых лет. Его команда обнаружила, что галактики очень горячие, с низким содержанием металлов и пыли, а также очень активные.
Четвертая работа, возглавляемая Анной-Кристиной Эйлерс из Массачусетского технологического института в Кембридже, штат Массачусетс, была сосредоточена не на процессах реионизации, а на галактике-квазаре, находящейся в центре наблюдений JWST.
Это одни из самых ярких объектов во Вселенной, и они представляют собой галактики с активной сверхмассивной черной дырой, аккрецирующей столько материи, что начинают сиять во времени и пространстве.
Когда этот свет движется к нам из дальних уголков Вселенной, то проходит через газ. Анализ света может многое рассказать о том, что находится в пространстве между отправной и конечной точками. Работа группы также показала, что квазар содержит сверхмассивную черную дыру примерно в 10 миллиардов раз больше массы Солнца. Трудно объяснить, как именно она стала такой большой всего за 1 миллиард лет, но это станет предметом будущих исследований.
Однако мы точно знаем, что еще не раз услышим об эпохе Реионизации. Новые инструменты позволяют заглядывать в историю ранней Вселенной беспрецедентно глубоко — настолько, что порой это кажется волшебством.