Исследование, опубликованное в журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters», ставит под сомнение существующие теории о реионизации Вселенной. Реионизация – важный период, когда первые звезды и галактики изменили структуру окружающего пространства, а в итоге и всей Вселенной. Общепринятое мнение утверждает, что эта эпоха закончилась примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Но если бы расчеты проводились с использованием наблюдений телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), реионизация завершилась бы минимум на 350 миллионов лет раньше ожидаемого.
Вселенная прошла за свою историю несколько значительных изменений. В первых 380 тысячах лет после Большого взрыва это была горячая, плотная плазма протонов и электронов. Со временем всё остыло достаточно, чтобы протоны и электроны соединились в нейтральные атомы водорода. Позже, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, начали образовываться первые звёзды и галактики, начав эпоху реионизации.
Первые звёзды обладали огромными размерами и высокой температурой — некоторые астрономы полагали, что масса их в 30-300 раз превосходила массу Солнца, а энергия испускалась в виде экстремального ультрафиолетового излучения. Эта энергия была настолько сильной, что при ударе о близлежащие атомы водорода расщепляла их на протоны и электроны. Такой процесс называется ионизацией. Через сотни миллионов лет после начала этого процесса практически весь водород во Вселенной был ионизирован, эпоха реионизации завершилась.
Поскольку водород составляет около 75% всего вещества во Вселенной, это преобразование является огромным событием. «Это последнее значительное изменение, которое должно было произойти. Переход был от нейтрального и холодного к ионизированному и горячему. И это произошло не только в одной или двух галактиках, но коснулось всей Вселенной», — отметил Джулиан Муньос, доцент кафедры астрономии Техасского университета в Остине и автор статьи.
Этот процесс нагревал и ионизировал газ во вселенной, что регулировало скорость роста и эволюции галактик. Ранние звёзды создали общую структуру галактик во вселенной, — добавил Джон Чисхолм, доцент кафедры астрономии в Техасском университете в Остине и соавтор статьи.
Астрономы не могут наблюдать реионизацию непосредственно, поэтому используют модели для предсказания её завершения. Основой моделей служат косвенные данные, например, измерения количества света от послесвечения Большого взрыва, называемого космическим микроволновым фоном.
Другим доказательством является раннее обилие волны, связанной с изменениями энергии в водороде, называемой лесом Лаймана-альфа. Данные помогают астрономам вычислить количество водорода, преобразованного во время реионизации, и соответственно, сколько энергии потребовалось для этого.
«Это игра в бухгалтерию. Всем известно, что водород был нейтральным до реионизации. С этого момента требуется мощный ультрафиолет для разделения каждого атома. Потому нужно провести математические расчёты, чтобы определить момент окончания реионизации», — отметил Муньос.
Телескоп JWST нарушил привычные представления о Вселенной. Благодаря ему астрономы могут наблюдать за космосом на большую глубину, чем когда-либо прежде, в период формирования первых звезд и галактик. Такие исследования дали много неожиданных результатов, например, обнаружили больше галактик, чем ожидалось, излучающих экстремальный ультрафиолет. «JWST доказал, что количество ярких галактик достаточно, чтобы самостоятельно ионизировать Вселенную. Это противоречит взглядам многих», — заявил Чисхолм.
Новые наблюдения показали, что старый подсчёт неверный. JWST указывает на то, что реионизация завершилась через 550–650 миллионов лет после Большого взрыва, а не через миллиард лет, как считалось ранее. Это значит, что космический микроволновой фон и лес Лайман-альфа выглядели бы иначе. Редкости произойти раньше, чем предполагалось. Возможно, в устоявшихся моделях отсутствует информация о том, как часто ионизированные протоны и электроны объединяются, чтобы сформировать нейтральные атомы водорода (рекомбинация). Частое её проявление могло бы увеличить количество ультрафиолетового света, необходимого для ионизации всей вселенной.
Нам необходимо более тщательное и глубокое изучение галактик, а также лучшее осмысление процесса рекомбинации. Разрешение противоречий относительно реионизации — важный шаг к полному пониманию этого поворотного момента. С нетерпением жду результатов ближайших лет.
Реионизация – ключевой этап в истории Вселенной. Понимание этого процесса существенно для понимания развития Вселенной и образования галактик.
Результаты исследования могут иметь большое значение для познания ранней Вселенной.