Эпоха реионизации — это период в истории Вселенной, когда в ней загорелись первые звезды, а нейтральный водород рассеялся и пространство стало прозрачным. Новые исследования космического телескопа James Webb свидетельствуют, что ученые могут ошибаться во времени ее окончания.
Реионизация в ранней Вселенной
Реионизация — это критический период, когда первые звезды и галактики изменили физическую структуру своего окружения, а затем и всей Вселенной. Согласно установившимся теориям, эта эпоха закончилась примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Однако, если вычислить эту веху, используя наблюдение космического телескопа James Webb, реионизация закончилась бы по меньшей мере на 350 миллионов лет раньше, чем ожидалось. Об этом говорится в новой статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of The Royal Astronomical Society: Letters.
В течение своей истории Вселенная претерпела несколько больших изменений. Первые 380 тысяч лет после Большого взрыва она была горячей, плотной плазмой протонов и электронов. В конце концов все остыло настолько, что протоны и электроны смогли объединиться и образовать нейтральные атомы водорода. Затем, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, начали формироваться первые звезды и галактики, открывая эпоху реионизации.
Эти первые звезды были огромными и горячими — по некоторым прогнозам, в 30-300 раз массивнее нашего Солнца — и излучали много энергии в виде экстремального ультрафиолетового света. Эта энергия была настолько интенсивной, что, ударяясь о соседние 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.
Ранняя реионизация и изменения во Вселенной
Учитывая, что примерно 75% всей материи состоит из водорода, это являет собой огромную трансформацию. «Это последнее крупное изменение, которое произошло», — объяснил Джулиан Муньос, доцент кафедры астрономии Техасского университета в Остине и ведущий автор статьи.
«Процесс нагревал и ионизировал газ во Вселенной, которая регулировала скорость роста и развития галактик», — добавил Джон Чисхолм, доцент астрономии в Техасском университете в Остине и соавтор статьи. Эти ранние звезды установили общую структуру галактик во Вселенной.
Поскольку астрономы не могут наблюдать процесс реионизации напрямую, они должны использовать модели, чтобы предсказать, когда он закончился. Эти модели основываются на косвенных доказательствах, включая измерение того, сколько света дошло до нас от послесвечения Большого взрыва, которое называется космическим микроволновым фоном.
Другим доказательством является раннее большое количество волн, связанных с энергетическими изменениями в водороде, так называемый лес Лайман-альфа. Оба эти фактора помогают астрономам вычислить, сколько водорода было преобразовано во время реионизации, и, соответственно, сколько энергии требовалось для этого.
«Это игра с цифрами», — говорит Муньос. «Мы знаем, что весь водород был нейтрален до реионизации. Отсюда следует, что для расщепления каждого атома требуется достаточное количество экстремального ультрафиолета. Итак, в конце концов вы можете выполнить математические расчеты, чтобы выяснить, когда закончилась реионизация».
Данные с телескопа James Webb, противоречащие моделям
Космический телескоп James Webb бросает вызов устоявшимся моделям. С его помощью астрономы могут заглянуть в космос дальше, чем когда-либо прежде, вглубь этой критической эпохи. Это приводит ко многим неожиданным наблюдениям в ранней Вселенной, одним из которых является большее количество галактик с экстремальным ультрафиолетовым излучением, чем ожидалось. «JWST обнаружил, что ярких галактик достаточно, чтобы ионизировать Вселенную самостоятельно», — сказал Чисхолм. «Это противоречит тому, что ожидали многие».
Итак, с этими новыми наблюдениями учет теперь отключен. «Если бы вы слепо доверяли James Webb, он сказал бы вам, что реионизация закончилась через 550-650 миллионов лет после Большого взрыва, вместо нынешних оценок в 1 миллиард лет», — пояснил Муньос. «Если бы это было правдой, космический микроволновой фон выглядел бы по-другому, и лес Лайман-альфа также. Поэтому возникает противоречие».
Загадки реионизации
Другими словами, маловероятно, что реионизация произошла на сотни миллионов лет раньше, чем предполагалось. Что же происходит? Одно из объяснений может заключаться в том, что в установившихся моделях отсутствует некоторая ключевая информация. Например, иногда ионизированные протоны и электроны возвращаются вместе, чтобы снова образовать нейтральные атомы водорода. Этот процесс называется рекомбинацией. Если бы он происходил чаще, чем предполагают современные модели, это могло бы увеличить количество экстремального ультрафиолета, необходимого для ионизации всей Вселенной.
«Нам нужны более детальные и глубокие наблюдения за галактиками и лучшее понимание процесса рекомбинации», — говорит Муньос. «Разрешение противоречий в вопросе реионизации — ключевой шаг к окончательному пониманию этого поворотного периода. Я с нетерпением жду, что нас ждет в ближайшие годы».
По материалам phys.org
