Ранняя Вселенная представляла собой однородную среду, наполненную нейтральным водородом, где отсутствовали звезды, галактики и планеты. Эта «темная эпоха» закончилась с появлением первых звезд, чье излучение вызвало кардинальное изменение – реионизацию, когда нейтральный водород ионизировался, преобразив космос в тот вид, который мы наблюдаем сегодня. Этот критически важный период, длившийся около миллиарда лет после Большого Взрыва, стал последним глобальным изменением состояния Вселенной.
Согласно современной космологии, после Большого Взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад, протоны и нейтроны сформировались в первую секунду, атомные ядра – в первые минуты, а через 380 000 лет после Большого Взрыва произошла рекомбинация: ядра захватили электроны, образовав первые атомы, и Вселенная стала прозрачной для света. После этого последовала эпоха «темных веков», когда не было звезд, но темная материя притягивала газ. Первые звезды вспыхнули более чем через 100 миллионов лет после Большого Взрыва, а к моменту 1,1 миллиарда лет после Большого Взрыва реионизация завершилась.
Первые звезды, появившиеся в галактиках, генерировали мощное ультрафиолетовое излучение, которое ионизировало водород. Новые данные, полученные при помощи космического телескопа Джеймса Вебба (JWST), запущенного в 2021 году, показали, что ранние галактики были более многочисленными, яркими и массивными, чем предсказывали существующие модели. Эти галактики производили в четыре раза больше ионизирующего света, чем ожидалось, а некоторые из них были названы «разрушителями Вселенной» из-за аномально высокой скорости звездообразования. Свой вклад в реионизацию внесли и сверхмассивные черные дыры, также появившиеся в ранние периоды и испускавшие высокоэнергетическое излучение.
JWST, способный наблюдать галактики, возникшие в первый миллиард лет существования Вселенной, обнаружил объекты, сформировавшиеся через 350 и даже 290 миллионов лет после Большого Взрыва, что указывает на более быстрый темп формирования галактик, чем предполагалось ранее, и ставит под сомнение текущие теории их эволюции. Открытия JWST также подняли вопрос о «кризисе фотонного бюджета». Количество ионизирующего света, обнаруженного телескопом, должно было привести к более быстрому завершению реионизации, чем наблюдаемые 1,1 миллиарда лет.
В дополнение к JWST, радиотелескопы нового поколения помогают ученым отслеживать нейтральный водород, чтобы понять, как именно происходила реионизация. Важнейшим инструментом является 21-сантиметровая линия – радиосигнал, испускаемый нейтральным водородом, который позволяет отслеживать его распределение и температуру с течением времени. В частности, HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array), радиотелескоп в Южной Африке, состоящий из 350 антенн, использует этот сигнал для картирования реионизации. На горизонте – масштабный проект SKA (Square Kilometer Array), который объединит антенны в Южной Африке и Австралии. Предварительные данные, полученные в 2018 году с помощью эксперимента EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature), указывают на то, что водород в ранней Вселенной мог быть холоднее, чем предполагалось, что возможно объясняется взаимодействием с темной материей.
Квазары, яркие источники излучения, испускаемые сверхмассивными черными дырами, играют важную роль в исследовании последних областей нейтрального водорода. Изучение их света позволяет идентифицировать следы элементов, созданных первыми звездами. Как отмечают Роб Симко и его коллеги в своей статье, опубликованной в 2023 году в журнале Annual Review of Astronomy and Astrophysics, квазары являются бесценным инструментом для изучения ранней Вселенной.
Астрофизики, такие как Джулиан Муньос (Техасский университет в Остине), Роб Симко (MIT), Брант Робертсон (UC Santa Cruz), Эрика Нельсон (Университет Колорадо в Боулдере), Хаким Атек (Институт Астрофизики в Париже), Джош Диллон (Калифорнийский университет в Беркли), Сара Босман (Гейдельбергский университет), и Анастасия Фиалкова (Институт астрономии в Кембридже), вносят значительный вклад в наше понимание эпохи реионизации. Они изучают данные JWST, радиосигналы, исходящие от нейтрального водорода, и свет квазаров. В 2024 году Муньос с коллегами в своей работе под названием «Реионизация после JWST: кризис фотонного бюджета?» показали, что существующие модели не могут объяснить темпы реионизации.
Темная материя также может играть ключевую роль в процессе реионизации. Она может служить источником энергии, нагревающей или охлаждающей межгалактическую среду, а также взаимодействовать с водородом, влияя на радиосигнал. Возможно, это взаимодействие выходит за рамки стандартной физики. Исследования эпохи реионизации продолжаются и требуют как новых наблюдений, так и теоретических проработок. В будущем, запущенный космический телескоп Нэнси Грейс Роман, станет преемником JWST, а Европейский Чрезвычайно Большой телескоп, строящийся в Чили, предоставит дополнительные данные об этом загадочном периоде ранней Вселенной.
Изображение носит иллюстративный характер
Согласно современной космологии, после Большого Взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад, протоны и нейтроны сформировались в первую секунду, атомные ядра – в первые минуты, а через 380 000 лет после Большого Взрыва произошла рекомбинация: ядра захватили электроны, образовав первые атомы, и Вселенная стала прозрачной для света. После этого последовала эпоха «темных веков», когда не было звезд, но темная материя притягивала газ. Первые звезды вспыхнули более чем через 100 миллионов лет после Большого Взрыва, а к моменту 1,1 миллиарда лет после Большого Взрыва реионизация завершилась.
Первые звезды, появившиеся в галактиках, генерировали мощное ультрафиолетовое излучение, которое ионизировало водород. Новые данные, полученные при помощи космического телескопа Джеймса Вебба (JWST), запущенного в 2021 году, показали, что ранние галактики были более многочисленными, яркими и массивными, чем предсказывали существующие модели. Эти галактики производили в четыре раза больше ионизирующего света, чем ожидалось, а некоторые из них были названы «разрушителями Вселенной» из-за аномально высокой скорости звездообразования. Свой вклад в реионизацию внесли и сверхмассивные черные дыры, также появившиеся в ранние периоды и испускавшие высокоэнергетическое излучение.
JWST, способный наблюдать галактики, возникшие в первый миллиард лет существования Вселенной, обнаружил объекты, сформировавшиеся через 350 и даже 290 миллионов лет после Большого Взрыва, что указывает на более быстрый темп формирования галактик, чем предполагалось ранее, и ставит под сомнение текущие теории их эволюции. Открытия JWST также подняли вопрос о «кризисе фотонного бюджета». Количество ионизирующего света, обнаруженного телескопом, должно было привести к более быстрому завершению реионизации, чем наблюдаемые 1,1 миллиарда лет.
В дополнение к JWST, радиотелескопы нового поколения помогают ученым отслеживать нейтральный водород, чтобы понять, как именно происходила реионизация. Важнейшим инструментом является 21-сантиметровая линия – радиосигнал, испускаемый нейтральным водородом, который позволяет отслеживать его распределение и температуру с течением времени. В частности, HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array), радиотелескоп в Южной Африке, состоящий из 350 антенн, использует этот сигнал для картирования реионизации. На горизонте – масштабный проект SKA (Square Kilometer Array), который объединит антенны в Южной Африке и Австралии. Предварительные данные, полученные в 2018 году с помощью эксперимента EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature), указывают на то, что водород в ранней Вселенной мог быть холоднее, чем предполагалось, что возможно объясняется взаимодействием с темной материей.
Квазары, яркие источники излучения, испускаемые сверхмассивными черными дырами, играют важную роль в исследовании последних областей нейтрального водорода. Изучение их света позволяет идентифицировать следы элементов, созданных первыми звездами. Как отмечают Роб Симко и его коллеги в своей статье, опубликованной в 2023 году в журнале Annual Review of Astronomy and Astrophysics, квазары являются бесценным инструментом для изучения ранней Вселенной.
Астрофизики, такие как Джулиан Муньос (Техасский университет в Остине), Роб Симко (MIT), Брант Робертсон (UC Santa Cruz), Эрика Нельсон (Университет Колорадо в Боулдере), Хаким Атек (Институт Астрофизики в Париже), Джош Диллон (Калифорнийский университет в Беркли), Сара Босман (Гейдельбергский университет), и Анастасия Фиалкова (Институт астрономии в Кембридже), вносят значительный вклад в наше понимание эпохи реионизации. Они изучают данные JWST, радиосигналы, исходящие от нейтрального водорода, и свет квазаров. В 2024 году Муньос с коллегами в своей работе под названием «Реионизация после JWST: кризис фотонного бюджета?» показали, что существующие модели не могут объяснить темпы реионизации.
Темная материя также может играть ключевую роль в процессе реионизации. Она может служить источником энергии, нагревающей или охлаждающей межгалактическую среду, а также взаимодействовать с водородом, влияя на радиосигнал. Возможно, это взаимодействие выходит за рамки стандартной физики. Исследования эпохи реионизации продолжаются и требуют как новых наблюдений, так и теоретических проработок. В будущем, запущенный космический телескоп Нэнси Грейс Роман, станет преемником JWST, а Европейский Чрезвычайно Большой телескоп, строящийся в Чили, предоставит дополнительные данные об этом загадочном периоде ранней Вселенной.
