Наконец-то мы знаем, что принесло свет в темную и бесформенную пустоту ранней Вселенной.
Согласно данным, полученным с помощью космических телескопов “Хаббл” и “Джеймс Уэбб”, источником свободно летящих фотонов на заре раннего космоса были небольшие карликовые галактики, которые вспыхнули, рассеяв туман мглистого водорода, заполнявшего межгалактическое пространство.
“Это открытие раскрывает важнейшую роль, которую сыграли сверхмалые галактики в ранней эволюции Вселенной”, – говорит астрофизик Ирина Чемеринская из Парижского института астрофизики. “Они производят ионизирующие фотоны, которые превращают нейтральный водород в ионизированную плазму во время космической реионизации. Это подчеркивает важность понимания не массивных галактик в формировании истории Вселенной”.
В начале существования Вселенной, в течение нескольких минут после Большого взрыва, космос был заполнен горячим, плотным туманом ионизированной плазмы. То немногое, что там было, не проникало сквозь этот туман; фотоны просто рассеивались на свободных электронах, плавающих вокруг, делая Вселенную темной.
По мере остывания Вселенной, примерно через 300 000 лет, протоны и электроны начали собираться вместе, образуя нейтральный газ водород (и немного гелия). Свет большинства длин волн мог проникать в эту нейтральную среду, но источников света для его получения было очень мало. Но из этого водорода и гелия родились первые звезды.
Эти первые звезды испускали излучение, достаточно сильное, чтобы оторвать электроны от ядер и повторно ионизировать газ. Однако к этому моменту Вселенная расширилась настолько, что газ стал диффузным и не мог препятствовать излучению света. Примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва, в конце периода, известного как Космический рассвет, Вселенная была полностью реионизована. Та-да! Свет зажегся.
Но поскольку в космическом рассвете так много тумана, а сам он такой тусклый и далекий во времени и пространстве, нам было трудно разглядеть, что там находится. Ученые полагали, что источники, ответственные за большую часть света, должны быть мощными – например, огромные черные дыры, чья аккреция производит ослепительный свет, и крупные галактики, находящиеся в процессе звездообразования (звезды-малютки производят много ультрафиолетового света).
Телескоп JWST был создан, в частности, для того, чтобы заглянуть во времена космического рассвета и попытаться увидеть, что там скрывается. Попытка оказалась весьма успешной и позволила обнаружить всевозможные сюрпризы, касающиеся этого важнейшего периода формирования нашей Вселенной. Удивительно, но наблюдения телескопа позволяют предположить, что ключевую роль в повторной ионизации играют карликовые галактики.
Международная команда под руководством астрофизика Хакима Атека из Парижского института астрофизики обратилась к данным JWST о скоплении галактик под названием Abell 2744, подкрепленных данными от телескопа “Хаббла”. Скопление Abell 2744 настолько плотное, что пространство-время искривляется вокруг него, образуя космическую линзу; любой далекий свет, проходящий к нам через это пространство-время, увеличивается. Это позволило исследователям увидеть крошечные карликовые галактики вблизи космического рассвета.
Затем они использовали JWST для получения подробных спектров этих крошечных галактик. Анализ показал, что карликовые галактики не только являются самым многочисленным типом галактик в ранней Вселенной, но они еще и гораздо ярче, чем ожидалось. По сути, исследование команды показывает, что карликовые галактики превосходят крупные галактики в соотношении 100 к 1, а их суммарное излучение в четыре раза превышает ионизирующее излучение, которое обычно ожидается для крупных галактик.
“Эти космические электростанции в совокупности излучают более чем достаточно энергии для выполнения работы”, – говорит Атек. “Несмотря на свои крошечные размеры, маломассивные галактики являются производителями энергетического излучения, и их изобилие в тот период настолько значительно, что их коллективное влияние может изменить все состояние Вселенной”.
Это лучшее доказательство силы, стоящей за повторной ионизацией, но впереди еще много работы. Исследователи изучили лишь небольшой участок неба; им необходимо убедиться, что их выборка – не просто аномальное скопление карликовых галактик, а обычная картина для эпохи Космического рассвета.
Они намерены изучить больше областей неба с космическими линзами, чтобы получить более широкую выборку ранних галактических популяций. Но и на одной этой выборке результаты невероятно интересны. Ученые ищут ответы на вопросы о реионизации с тех пор, как мы о ней узнали. Сейчас мы находимся на грани того, чтобы окончательно развеять туман.
“С помощью JWST мы вступили на неизведанную территорию”, – говорит астрофизик Темия Нанаяккара из Технологического университета Суинберна в Австралии.
“Эта работа поднимает перед нами новые интересные вопросы, на которые мы должны ответить, пытаясь проследить эволюционную историю нашего зарождения”.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Читайте также: Необъяснимый сигнал гамма-лучей намекает на неизвестную особенность за пределами нашей Галактики