Вчені зафіксували перші вогні Всесвіту на зорі часу

Зазираючи в далеке минуле, астрономи намагаються розгадати таємницю того, коли Всесвіт увімкнув своє світло.

У чотирьох окремих статтях, прийнятих до розгляду або опублікованих в Astrophysical Journal, вчені детально розглянули період, відомий як Епоха реіонізації – період, коли густий туман, що заважав світлу поширюватися, розвіявся, дозволивши зіркам і галактикам нарешті засяяти.

Про цю епоху відомо відносно мало, але нові спостереження, отримані за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, показують, що зореутворення було бурхливим, і світло цього процесу відіграло значну роль у розвіюванні хмар раннього Всесвіту.

Дослідження також в сукупності демонструє можливості телескопа у вивченні цього загадкового періоду в історії нашого Всесвіту і розумінні процесів, що відбувалися в той час, коли все ще було схоже на гарячий безладний суп з матерії.

Епоха рекомбінації

Зараз все у Всесвіті здається відносно усталеним, але ранній Всесвіт, у перший мільярд років після Великого вибуху 13,8 мільярдів років тому, був часом швидких змін. Спочатку простір був заповнений гарячим, каламутним туманом іонізованого газу. Цей газ був непроникним для світла; фотони просто розсіювалися від вільних електронів, що літали навколо.

Коли газ почав остигати, протони та електрони почали об’єднуватися, утворюючи переважно нейтральні атоми водню і трохи гелію, в період, відомий як Епоха рекомбінації, приблизно через 300 000 років після Великого вибуху (трохи неправильна назва, оскільки до цього вони не об’єднувалися, але ми називаємо це саме так).

Це був перший з основних фазових переходів, яких зазнав газ у ранньому Всесвіті. Коли всі вільні електрони були зв’язані в атомах, світло могло вільно рухатись. Просто… не було багато чого навколо, щоб зробити це, тому космос залишався досить темним.

Епоха реіонізації

Наступною фазою переходу була реіонізація. Вчені вважають, що згустки нейтрального водню почали утворювати зірки, групуватися в галактики, пронизуючи газове середовище ультрафіолетовим світлом.

Це реіонізувало газ, вибиваючи з нього електрони; однак, оскільки простір значно розширився, новий іонізований водень був достатньо розсіяним, щоб продовжувати пропускати світло. Приблизно через 1 мільярд років після Великого вибуху космос став повністю прозорим.

Однак, важко побачити, що відбувається під час Епохи Реіонізації. Це дуже далеко, об’єкти дуже слабкі, і є ще багато непрозорого простору, що затуляє наш погляд. Ось тут і з’являється JWST. Інфрачервоний космічний телескоп був побудований з урахуванням цього періоду, і його потужне позолочене око виявляє сигнали об’єктів, що сяють у далекій темряві.

У препринті, опублікованому в The Astrophysical Journal, міжнародна команда астрономів на чолі з П’єрлуїджі Рінальді з Гронінгенського університету в Нідерландах вперше в епоху реіонізації (EoR) виявила специфічну довжину хвилі водню, яка називається альфа-воднем.

Це ознака зореутворення. Масивні зорі-дитини випромінюють багато ультрафіолетового випромінювання, яке потрапляє в міжзоряне середовище, іонізуючи нейтральний газ водню, що може там висіти. Це призводить до того, що газ водню починає світитися в певній довжині хвилі – це альфа-лінія водню.

Ми не знаємо, що виробляло ультрафіолетове світло в EoR – зірки, галактики чи квазари, але перше виявлення альфа-водню під час цього процесу є вагомою підказкою. Рінальді та його колеги проаналізували сигнал і з’ясували, що за більшою частиною цього сигналу стоїть зореутворення.

“Ми дійшли висновку, – пишуть вони, – що сильні випромінювачі альфа-водню виробляли близько чверті загальної щільності швидкості зореутворення [близько 13 мільярдів років тому], що свідчить про те, що вони, ймовірно, відігравали значну роль у процесі реіонізації”.

Стаття під керівництвом астронома Даічі Кашіно з Університету Нагої в Японії доповнює цю історію. Реіонізація не була рівномірним процесом; вона відбувалася в кишенях, або бульбашках, навколо найяскравіших випромінювачів ультрафіолету, тобто галактик. Кашино та його колеги використали дані JWST, щоб виявити ці кишені, показавши, що галактики також зробили значний внесок у EoR.

“Мало того, що “Вебб” чітко показує, що ці прозорі області знаходяться навколо галактик, ми також виміряли, наскільки вони великі”, – каже Кашино. “Завдяки даним Вебба ми бачимо, як галактики реіонізують газ навколо себе”.

Ці бульбашки були близько 4 мільйонів світлових років у поперечнику в той час, коли вони були метою дослідників, наприкінці EoR, і в статті під керівництвом астрофізика Йорріта Матті (Jorryt Matthee) з Швейцарської вищої технічної школи Цюріха (ETH Zürich) проаналізовано їхні характеристики. Його команда виявила, що галактики були дуже гарячими, з низьким вмістом металів і пилу та дуже активними.

“Вони більш хаотичні, ніж ті, що знаходяться в сусідньому всесвіті”, – каже Матті. “Вебб показує, що вони активно формували зірки і, мабуть, вистрілювали багато наднових. У них була досить авантюрна молодість!”

Четверта стаття під керівництвом Анни-Крістіни Ейлерс з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі, штат Массачусетс, була присвячена не процесам реіонізації, а квазарній галактиці в центрі спостережень JWST.

Це одні з найяскравіших об’єктів у Всесвіті, галактики з активною надмасивною чорною дірою, яка акумулює так багато матерії, що вона випромінює її через час і простір.

“Це дослідження відкриває можливість вивчення ранніх галактик у спосіб, який раніше був неможливий”, – каже Рінальді. “Чудово те, що ми показали, що такого роду дослідження можна проводити регулярно за допомогою JWST/MIRI”.