Епоха реіонізації — це період в історії Всесвіту, коли в ньому запалали перші зорі, а нейтральний водень розсіявся і простір став прозорим. Нові дослідження космічного телескопа James Webb свідчать, що вчені можуть помилятися щодо часу її закінчення.
Реіонізація в ранньому Всесвіті
Реіонізація — це критичний період, коли перші зорі та галактики змінили фізичну структуру свого оточення, а згодом і всього Всесвіту. Згідно з усталеними теоріями, ця епоха закінчилася приблизно через 1 мільярд років після Великого вибуху. Однак, якщо обчислити цю віху, використовуючи спостереження космічного телескопа James Webb, реіонізація закінчилася б щонайменше на 350 мільйонів років раніше, ніж очікувалося. Про це йдеться в новій статті, опублікованій в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.
Протягом своєї історії Всесвіт зазнав кілька великих змін. Перші 380 000 років після Великого вибуху він був гарячою, щільною плазмою протонів та електронів. Зрештою, все охололо настільки, що протони та електрони змогли об’єднатися та утворити нейтральні атоми водню. Потім, приблизно через 100 мільйонів років після Великого вибуху, почали формуватися перші зорі та галактики, відкриваючи епоху реіонізації.
Ці перші зорі були величезними та гарячими — за деякими прогнозами, в 30-300 разів масивнішими за наше Сонце — і випромінювали багато енергії у вигляді екстремального ультрафіолетового світла. Ця енергія була настільки інтенсивною, що, вдаряючись об сусідні атоми водню, вона розщеплювала їх на протони та електрони в процесі, який називається іонізацією. Через сотні мільйонів років, коли майже весь водень у Всесвіті став іонізованим, епоха реіонізації закінчилася.
Рання реіонізація та зміни у Всесвіті
Враховуючи, що приблизно 75% всієї матерії складається з водню, це являє собою величезну трансформацію. «Це остання велика зміна, яка відбулася», — пояснив Джуліан Муньос, доцент кафедри астрономії Техаського університету в Остіні та провідний автор статті.
«Процес нагрівав та іонізував газ у Всесвіті, який регулював швидкість росту та розвитку галактик», — додав Джон Чісхолм, доцент астрономії в Техаському університеті в Остіні та співавтор статті. Ці ранні зорі встановили загальну структуру галактик у Всесвіті.
Оскільки астрономи не можуть спостерігати процес реіонізації безпосередньо, вони повинні використовувати моделі, щоб передбачити, коли він закінчився. Ці моделі ґрунтуються на непрямих доказах, включно з вимірюванням того, скільки світла дійшло до нас від післясвітіння Великого вибуху, яке називається космічним мікрохвильовим фоном.
Іншим доказом є рання велика кількість хвиль, пов’язаних з енергетичними змінами у водні, так званий ліс Лайман-альфа. Обидва ці фактори допомагають астрономам обчислити, скільки водню було перетворено під час реіонізації, і, відповідно, скільки енергії було потрібно для цього.
«Це гра з цифрами», — каже Муньос. «Ми знаємо, що весь водень був нейтральним до реіонізації. Звідси стає зрозуміло, що для розщеплення кожного атома потрібна достатня кількість екстремального ультрафіолету. Отже, зрештою ви можете виконати математичні розрахунки, щоб з’ясувати, коли закінчилася реіонізація».
Дані з телескопа James Webb, що суперечать моделям
Космічний телескоп James Webb кидає виклик усталеним моделям. З його допомогою астрономи можуть зазирнути в космос далі, ніж будь-коли раніше, вглиб цієї критичної епохи. Це призводить до багатьох несподіваних спостережень у ранньому Всесвіті, одним з яких є більша кількість галактик з екстремальним ультрафіолетовим випромінюванням, ніж очікувалося. «JWST виявив, що яскравих галактик достатньо, щоб іонізувати Всесвіт самостійно», — сказав Чісхолм. «Це суперечить тому, що очікували багато людей».
Отже, з цими новими спостереженнями облік тепер вимкнений. «Якби ви сліпо довіряли James Webb, він би сказав вам, що реіонізація закінчилася через 550-650 мільйонів років після Великого вибуху, замість нинішніх оцінок в 1 мільярд років», — пояснив Муньос. «Якби це було правдою, космічний мікрохвильовий фон мав би інакший вигляд, і ліс Лайман-альфа також. Тому виникає протиріччя».
Загадки реіонізації
Тобто малоймовірно, що реіонізація сталася на сотні мільйонів років раніше, ніж передбачалося. То що ж відбувається? Одне з пояснень може полягати в тому, що в усталених моделях відсутня деяка ключова інформація. Наприклад, іноді іонізовані протони та електрони повертаються разом, щоб знову утворити нейтральні атоми водню. Цей процес називається рекомбінацією. Якби він відбувався частіше, ніж припускають сучасні моделі, це могло б збільшити кількість екстремального ультрафіолету, необхідного для іонізації всього Всесвіту.
«Нам потрібні детальніші та глибші спостереження за галактиками та краще розуміння процесу рекомбінації», — каже Муньос. «Вирішення розбіжностей у питанні реіонізації — ключовий крок до остаточного розуміння цього поворотного періоду. Я з нетерпінням очікую, що на нас чекає в найближчі роки».
За матеріалами phys.org
