Примерно через миллиард лет после Большого взрыва Вселенная претерпела фундаментальную трансформацию, став полностью прозрачной. Этот процесс, известный как «реионизация», долгое время оставался одной из главных космологических загадок. Современные исследования, в том числе с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба, указывают на то, что ключевую роль в этом сыграло излучение первых галактик, которое нагрело и повторно ионизировало межгалактический газ.
Первые миллиарды лет существования Вселенной (более 13,8 миллиардов лет назад) были эпохой радикальных перемен. Изначально космос был заполнен горячей непрозрачной плазмой из ионизированного водорода (75%), гелия (25%) и следовых элементов. Этот период, часто называемый «Темными веками», был временем, когда свет не мог свободно распространяться в пространстве.
От темноты к свету: путь к прозрачности
Примерно через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы протоны и электроны смогли объединиться в нейтральные атомы. Эта фаза, известная как «рекомбинация», длилась около 150 миллионов лет и стала первым крупным переходом в состоянии космоса. Снижение количества свободных электронов позволило фотонам начать путешествовать, однако самих источников света — звезд и галактик — ещё не существовало.
Позже, под действием гравитации, газ начал сгущаться, давая начало первым звёздам и галактическим структурам. Их рождение запустило второй великий переход — реионизацию. Излучение этих ранних объектов начало нагревать и снова расщеплять атомы водорода на протоны и электроны, постепенно очищая космос от непрозрачной дымки. К концу этого процесса, примерно через миллиард лет после начала всего, Вселенная стала прозрачной для света.
Учёные давно предполагали, что движущей силой реионизации было высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение примитивных галактик. Однако прямое подтверждение этой теории было сложной задачей из-за огромных расстояний и того, что следы той эпохи скрыты более поздними слоями материи. Ситуация изменилась с вводом в строй телескопа Джеймса Уэбба, данные которого начинают приоткрывать завесу над этой загадочной фазой.
Пузыри прозрачности в раннем космосе
Исследование, проведённое в Университете Гронингена (Нидерланды), сосредоточилось на обнаружении специфического излучения водорода — так называемой линии «альфа-водорода», которая испускается в процессе реионизации и сигнализирует об активном звёздообразовании. В условиях неоднородной плотности ранней Вселенной атомы водорода сталкивались и нагревались. Концентрируясь, газ накапливал огромные массы, порождая первые, невероятно массивные и нестабильные звёзды.
Обратите внимание: Новое исследование может в конечном итоге подтвердить или отклонить теорию Большого взрыва.
Эти звёзды быстро завершали свой жизненный цикл взрывами сверхновых, испуская мощное УФ-излучение. Поглощаясь окружающим газом, это излучение вызывало его реионизацию, что и сопровождалось излучением на характерной альфа-длине волны.Данные показали, что наиболее интенсивные всплески альфа-излучения соответствовали формированию около четверти всего звёздного вещества той эпохи. Это подтверждает, что именно ранние звёзды и их излучение были ключевыми игроками в процессе «осветления» Вселенной.
Различные стадии реионизации Вселенной.Японские учёные дополнили эту картину, предположив, что реионизация была не мгновенным и равномерным событием, а распространялась подобно пузырям. «Уэбб не только ясно показывает, что эти прозрачные области находятся вокруг галактик, но мы также измерили их размер», — поясняет ведущий автор Даичи Кашино из Университета Нагои. Области ионизированного газа формировались вокруг источников излучения и постепенно расширялись.
Эти «пузыри прозрачности» были колоссальных размеров — около 4 миллионов световых лет в диаметре, что гигантски по сравнению с самими галактиками. Для наглядности: если представить галактику размером с горошину, то окружающий её прозрачный пузырь будет похож на воздушный шар. Со временем такие пузыри расширялись и сливались, пока не заполнили всё пространство. Стоит отметить, что эти первобытные галактики, существовавшие уже через 900 миллионов лет после Большого взрыва, были непохожи на современные и отличались чрезвычайно высокой активностью.
Взгляд сквозь эпоху перемен
Другая группа исследователей сфокусировалась на моменте, непосредственно предшествовавшем завершению реионизации, когда Вселенная представляла собой «лоскутное одеяло» из прозрачных и непрозрачных областей. Для этого они направили телескоп Джеймса Уэбба на древний квазар — активное ядро галактики со сверхмассивной чёрной дырой, служащее мощным источником света.
Свет от этого квазара, путешествуя к нам, проходил через газ разной степени ионизации. «Освещая газ вдоль нашего луча зрения, квазар даёт нам детальную информацию о его составе и состоянии», — объясняет Анна-Кристина Эйлерс из Массачусетского технологического института. Анализируя, как поглощался этот свет, учёные смогли идентифицировать близлежащие галактики и определить, что радиус прозрачных областей вокруг них составлял около 2 миллионов световых лет.
Кроме того, было обнаружено, что чёрная дыра в центре изучаемого квазара является одной из самых массивных в ранней Вселенной — её масса почти в 10 миллиардов раз превышает массу Солнца. Причины столь быстрого роста таких объектов в молодом космосе пока остаются загадкой. Благодаря возможностям «Джеймса Уэбба» астрономам также удалось идентифицировать 117 галактик, существовавших в эпоху реионизации, что открывает новые пути для изучения этого переломного момента в истории Вселенной.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.