Ученые наконец-то выяснили, что рассеяло тьму в бесформенной пустоте ранней Вселенной. Данные телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» свидетельствуют о том, что источником первых свободных фотонов на заре космической истории стали крошечные карликовые галактики. Вспыхнув ярким светом, они развеяли туман непроницаемого водорода, окутывавшего межгалактическое пространство. Результаты исследования опубликованы в февральском номере научного журнала.
«Это открытие раскрывает ключевую роль сверхтусклых галактик в эволюции ранней Вселенной,» — говорит астрофизик Ирина Чемеринская из Института астрофизики Парижа. «Они производят ионизирующие фотоны, которые превращают нейтральный водород в ионизированную плазму в процессе космической реионизации. Это подчеркивает важность изучения маломассивных галактик для понимания истории Вселенной.»
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была заполнена горячим и плотным туманом из ионизированной плазмы. Фотоны света не могли проникнуть сквозь этот туман – они просто рассеивались от свободных электронов, делая Вселенную темной.
Примерно через 300 000 лет, по мере остывания Вселенной, протоны и электроны начали объединяться, образуя нейтральный водород (и немного гелия). Большая часть световых волн могла проходить сквозь эту среду, но источников света было крайне мало.
Однако именно из этого водорода и гелия родились первые звезды. Они излучали достаточно мощное излучение, чтобы оторвать электроны от ядер атомов и реионизировать газ. К этому времени Вселенная значительно расширилась, газ стал разреженным и уже не мог препятствовать распространению света. Примерно через миллиард лет после Большого взрыва, к концу периода, известного как космический рассвет, Вселенная была полностью реионизирована. Вуаля! Зажглись огни.
Однако из-за космической «дымки» и огромных расстояний, разделяющих нас с эпохой космического рассвета, увидеть, что происходило в те далекие времена, было крайне сложно. Ученые предполагали, что за реионизацию ответственны мощные источники света – например, черные дыры, поглощающие материю и излучающие яркий свет, или крупные галактики в процессе звездообразования (молодые звезды испускают много ультрафиолетового света).
Телескоп «Джеймс Уэбб» был частично спроектирован для того, чтобы заглянуть в эпоху космического рассвета и попытаться разглядеть, что же там скрывается. И он преуспел в этом, раскрыв множество удивительных тайн о важнейшем периоде формирования нашей Вселенной.
К удивлению ученых, наблюдения «Уэбба» показали, что ключевую роль в реионизации сыграли карликовые галактики.
Международная группа исследователей под руководством астрофизика Хакима Атека из Института астрофизики Парижа обратилась к данным «Уэбба» о скоплении галактик Abell 2744, дополнив их данными «Хаббла». Abell 2744 настолько массивно, что искривляет вокруг себя пространство-время, образуя космическую линзу. Любой далекий свет, проходящий сквозь эту линзу, усиливается. Это позволило исследователям разглядеть крошечные карликовые галактики, существовавшие на заре космической истории. Затем с помощью «Уэбба» они получили детальные спектры этих галактик.
Анализ показал, что карликовые галактики не только были самым распространенным типом галактик в ранней Вселенной, но и были гораздо ярче, чем предполагалось. Исследование показало, что карликовые галактики численно превосходили крупные в 100 раз, а их суммарное излучение в четыре раза превышало ионизирующее излучение, обычно приписываемое более крупным галактикам.
«Эти космические «малыши», работая сообща, излучали более чем достаточно энергии, чтобы сделать свое дело», – говорит Атек. «Несмотря на свои крошечные размеры, эти маломассивные галактики были невероятно продуктивными генераторами энергетического излучения, а их количество в ту эпоху было настолько велико, что их совокупное влияние могло полностью изменить состояние Вселенной.»
Это наилучшее на сегодняшний день доказательство того, что послужило толчком к реионизации, но впереди еще много работы. Исследователи изучили лишь небольшой участок неба; им нужно убедиться, что их выборка не является просто аномальным скоплением карликовых галактик, а представляет собой репрезентативную выборку всей популяции в эпоху космического рассвета. Они планируют изучить другие области неба с гравитационным линзированием, чтобы получить более широкую выборку ранних галактических популяций.
Но уже на основании этой выборки результаты выглядят невероятно волнующими. Ученые искали ответы на вопросы о реионизации с тех пор, как узнали о ней. И вот мы на пороге того, чтобы наконец-то рассеять туман неизвестности.
«С появлением «Джеймса Уэбба» мы вступили на неизведанную территорию», – говорит астрофизик Темия Нанаяккара из Технологического университета Суинберна в Австралии. – «Эта работа открывает перед нами еще более захватывающие вопросы, на которые нам предстоит найти ответы, чтобы пролить свет на историю нашего происхождения».
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Читайте также: Загадочные пузыри eROSITA: что скрывается в сердце нашей Галактики?
