Реіонізація — це критичний період, коли перші зорі та галактики змінили фізичну структуру свого довкілля, а згодом і всього Всесвіту. Загальноприйняті теорії стверджують, що ця епоха закінчилася приблизно через 1 мільярд років після Великого Вибуху. Однак, якщо розрахувати цю віху за допомогою даних спостережень космічного телескопа Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST), реіонізація завершилася б принаймні на 350 мільйонів років раніше, ніж очікували досі астрономи. Про це йдеться в новій статті, опублікованій у Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.
Протягом своєї історії Всесвіт зазнав кілька серйозних змін. Протягом перших 380 000 років після Великого Вибуху це була гаряча щільна плазма протонів і електронів. Зрештою все охололо настільки, щоб ці протони й електрони об’єдналися й утворили нейтральні атоми водню. Потім, приблизно через 100 мільйонів років після Великого Вибуху, почали формуватися перші зорі та галактики, що стало початком епохи реіонізації.
Ті перші зорі були величезними і гарячими — за деякими прогнозами, вони були в 30—300 разів масивнішими, ніж Сонце — і вони випромінювали багато енергії у вигляді екстремального ультрафіолетового світла. Ця енергія була настільки інтенсивною, що коли вона опромінювала 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.
Зважаючи на те, що приблизно 75% усієї речовини Всесвіту становить водень, це була величезна трансформація. «Це остання серйозна зміна», — пояснив Джуліан Муньос (Julian Muñoz), доцент кафедри астрономії Техаського університету в Остіні та перший автор статті. «Ви перейшли від нейтрального й холодного до іонізованого та гарячого. І це сталося не лише з однією чи двома галактиками. Це сталося з цілим Всесвітом».
«Процес сприяв нагріванню та іонізації газу у Всесвіті, а такий газ регулював швидкість росту та еволюції галактик», — додав Джон Чісхолм (John Chisholm), доцент кафедри астрономії в Техаського університету в Остіні та співавтор статті. «Ці ранні зорі встановили загальну структуру галактик у Всесвіті».
Оскільки астрономи не можуть спостерігати процес реіонізації прямо, вони мусять використовувати моделі, щоб передбачити, коли він закінчиться. Ці моделі базуються на непрямих доказах, зокрема вимірюваннях того, скільки випромінювання досягло нас від післясвітіння Великого Вибуху, яке науковці називають космічним мікрохвильовим фоном.
Іншим доказом є рання велика кількість довжини хвилі, пов’язаної зі змінами енергії водню, яка називається лісом Лайман-альфа. Обидва ці докази допомагають астрономам обчислити, скільки водню було перетворено під час реіонізації, і, відповідно, скільки енергії було потрібно для цього.
«Це бухгалтерська гра», — сказав Муньос. «Ми знаємо, що весь водень був нейтральним до реіонізації. З цього моменту вам потрібна достатня кількість екстремального ультрафіолету, щоб розщепити кожен атом. Отже, зрештою, ви можете задіяти математику, щоб з’ясувати, коли реіонізація закінчилася».
Тепер космічний телескоп Джеймса Вебба кидає виклик усталеним моделям. З ним астрономи можуть зазирнути у космос далі, ніж будь-коли раніше, в глибину цієї критичної епохи. Це дає змогу зробити багато несподіваних спостережень у ранньому Всесвіті, одним із яких є більша кількість галактик із ультрафіолетовим випромінюванням, ніж очікувалося. «JWST виявив, що яскравих галактик достатньо для іонізації Всесвіту», — сказав Чізхолм. «Це суперечить тому, чого очікували багато астрономів».
Отже, з цими новими спостереженнями «бухгалтерський облік» зупинено. «Якби ви сліпо довіряли “Джеймсу Веббу”, то мали б визнати, що реіонізація закінчилася через 550—650 мільйонів років після Великого Вибуху, замість поточних оцінок у 1 мільярд років», — пояснив Муньос. «Якби це було правдою, вигляд космічного мікрохвильового фону був би іншим, а ліс Лайман-альфа був би інакшим. Отже, існує проблема».
Іншими словами, малоймовірно, що реіонізація відбулася на сотні мільйонів років раніше, ніж передбачалося. Отже, що відбувається? Одним із пояснень може бути те, що в усталених моделях відсутня деяка основна інформація. Наприклад, іноді іонізовані протони та електрони об’єднуються, щоб повторно утворити нейтральні атоми водню. Цей процес називається рекомбінацією. Якщо це траплятиметься частіше, ніж припускають поточні моделі, це може збільшити кількість екстремального ультрафіолетового світла, потрібного для іонізації всього Всесвіту.
«Нам потрібні докладніші та глибші спостереження за галактиками, а також краще розуміння процесу рекомбінації», — сказав Муньос. «Вирішення цієї напруги щодо реіонізації є головним кроком до остаточного розуміння цього важливого періоду еволюції Всесвіту. Я буду радий бачити, що принесуть наступні роки».
Інші автори дослідження: Джордан Міроча (Jordan Mirocha) з Лабораторії реактивного руху NASA та Каліфорнійського технологічного інституту; Стівен Фурланетто (Steven Furlanetto) з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Шарлотта Мейсон (Charlotte Mason) з Копенгагенського університету.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
