Галактики в самом конце эпохи реионизации глазами художника

Заглядывая в далёкое прошлое, астрономы пытаются разобраться в том, когда во Вселенной забрезжил первый свет.

В четырёх отдельных работах, опубликованных в журнале The Astrophysical Journal, учёные подробно описали свою попытку заглянуть в самые ранние на сегодняшний день времена, известные как эпоха реионизации - время, когда густой туман, мешавший свету распространяться, рассеялся, позволив звёздам и галактикам наконец засиять.

Об этой эпохе известно сравнительно мало, но новые наблюдения, полученные с помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба, показывают, что в это время шло активное звёздообразование, и свет этого процесса сыграл важную роль в очищении ранней Вселенной от «облаков».

Исследование также демонстрирует возможности телескопа в изучении этого загадочного периода истории нашей Вселенной и понимании процессов, происходивших в то время, когда все ещё представляло собой горячий беспорядочный суп из материи.

Диаграмма, показывающая ход реионизации

Эпоха рекомбинации

Сейчас всё во Вселенной кажется относительно устоявшимся, но ранняя Вселенная, в первые миллиарды лет после Большого взрыва 13,8 млрд. лет назад, была временем стремительных перемен. Вначале космос был заполнен горячим, мутным туманом ионизированного газа. Этот газ был непроницаем для света, фотоны просто рассеивались от летающих вокруг свободных электронов.

Когда газ начал остывать, протоны и электроны стали соединяться, образуя в основном нейтральные атомы водорода и немного гелия, в период, известный как эпоха рекомбинации, примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва («рекомбинация» — это несколько некорректное название, поскольку до этого они никогда не соединялись, но мы называем этот период именно так).

Это был первый из основных фазовых переходов, которые пережил газ в ранней Вселенной. Когда все свободные электроны были связаны в атомах, свет мог свободно перемещаться. Однако для него оставалось мало места, поэтому пространство оставалось довольно тёмным.

Эпоха реионизации

Следующей фазой перехода стала реионизация. Учёные полагают, что из сгустков нейтрального водорода начали формироваться звезды, группирующиеся в галактики, которые облучали газообразную среду ультрафиолетовым светом.

Это привело к реионизации газа: излучение начало вновь выбивать из него электроны; однако, поскольку пространство значительно расширилось, вновь ионизированный водород был достаточно рассеянным, чтобы продолжать пропускать свет. И примерно через 1 млрд. лет после Большого взрыва космос стал абсолютно прозрачным.

Альфа-сигналы водорода двух выделенных галактик видны в негативе в левом нижнем углу. Видно, что он очень яркий.

Однако разглядеть происходящее в эпоху реионизации довольно сложно. Она очень далека, объекты очень тусклые, и всё ещё много непрозрачного пространства, заслоняющего наш обзор. Именно здесь на помощь приходит Уэбб. Инфракрасный космический телескоп был создан с прицелом на этот период, и его мощный глаз с золотым покрытием обнаруживает сигналы объектов, сияющих в далёкой темноте.

В препринте, принятом к публикации в журнале The Astrophysical Journal, международная группа астрономов под руководством Пьерлуиджи Ринальди из Гронингенского университета (Нидерланды) впервые обнаружила в эпоху реионизации специфическую длину волны водорода, называемую альфа-водородом.

А это признак звездообразования. Массивные молодые звезды испускают большое количество ультрафиолетового излучения, которое попадает в межзвёздную среду, ионизируя находящийся там нейтральный водородный газ. В результате водородный газ начинает светиться на определённой длине волны — это альфа-линия водорода.

Мы не знаем, что породило ультрафиолетовое излучение в эпоху реионизации, были ли это звезды, галактики или квазары, но первое обнаружение альфа-линии водорода в тот момент, когда это происходило, стало серьёзной подсказкой. Ринальди и его коллеги проанализировали этот сигнал и пришли к выводу, что за большей его частью стоит звездообразование.

«Мы пришли к выводу, — пишут они, — что сильные излучатели альфа-линии водорода создавали около четверти общей плотности скорости звездообразования в период [около 13 млрд. лет назад], что позволяет предположить, что они, вероятно, играли важную роль в процессе реионизации».

Статья под руководством астронома Даичи Кашино (Daichi Kashino) из Университета Нагоя (Япония) дополняет эту историю. Реионизация не была равномерным процессом, она происходила в «карманах», или «пузырях», вокруг наиболее ярких ультрафиолетовых излучателей, т.е. галактик. Кашино и его коллеги использовали данные Уэбба для обнаружения этих карманов, показав, что галактики также вносят существенный вклад в реионизацию.

«Уэбб не только чётко показывает, что эти прозрачные области находятся вокруг галактик, но мы также измерили их размеры, — говорит Кашино. — С помощью данных Уэбба мы видим, как галактики реионизируют окружающий их газ».

В то время, на которое нацелились исследователи, к концу эпохи реионизации, эти пузыри имели размеры около 4 млн. световых лет, и в работе под руководством астрофизика Йоррита Маттее из ETH Zürich (Швейцария) проанализированы их характеристики. Его команда обнаружила, что галактики были очень горячими, с низким содержанием металлов и пыли и очень активными.

«Они более хаотичны, чем галактики в близлежащей Вселенной, — говорит Матти. — Уэбб показывает, что они активно формировали звезды и, должно быть, порождали множество сверхновых. У них была весьма насыщенная приключениями молодость!».

Четвёртая работа, выполненная под руководством Анны-Кристины Эйлерс из Массачусетского технологического института в Кембридже, штат Массачусетс, посвящена не процессам реионизации, а галактике-квазару, находящейся в центре области наблюдений Уэбба.

Это одни из самых ярких объектов во Вселенной, галактики с активной сверхмассивной чёрной дырой, поглощающие огромное количество вещества, и порождающие в процессе ярчайшие вспышки, проходящие через время и пространство.

Несмотря на нечёткость, на этих снимках можно увидеть необычайно детальные изображения галактик в ближнем инфракрасном диапазоне, существовавших, когда возраст Вселенной составлял всего 900 млн лет

По мере того как этот свет добирается до нас из далёких уголков Вселенной, он проходит через газ. Анализ этого света позволяет многое узнать о том, что находится в пространстве между нами и ними. В результате работы команды было установлено, что в квазаре находится сверхмассивная чёрная дыра, масса которой примерно в 10 млрд раз больше массы Солнца. Как именно она выросла до таких размеров всего за 1 млрд лет, объяснить сложно, но это будет предметом будущих работ.

Что мы знаем точно, так это то, что это не последнее слово об эпохе реионизации. Мы лишь едва прикоснулись к этой теме.

«Это исследование открывает возможность изучать ранние галактики таким образом, который был невозможен ранее, — говорит Ринальди. — Самое замечательное, что мы показали, что подобные исследования можно проводить в рутинном режиме с помощью JWST/MIRI».

Все четыре статьи были приняты к публикации или опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters (1, 2, 3, 4).