Данные JWST оказались противоречащими моделям реионизации

Реионизация — критический период, когда первые звезды и галактики изменили физическую структуру своего окружения, а в конечном итоге и всей Вселенной. Теория утверждает, что эта эпоха закончилась примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Однако, если бы этот рубеж был рассчитан с использованием данных, полученных с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST), реионизация закончилась бы по крайней мере на 350 миллионов лет раньше, чем ожидалось.  

На протяжении всей своей истории Вселенная претерпела несколько крупных изменений. В течение первых 380 000 лет после Большого взрыва она представляла собой горячую, плотную плазму протонов и электронов.

Затем все остыло достаточно сильно для того, чтобы протоны и электроны объединились и образовали нейтральные атомы водорода. Далее, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, начали формироваться первые звезды и галактики, положив начало эпохе реионизации.

Те первые звезды были огромными и горячими — некоторые ученые предсказывали, что они были в 30-300 раз массивнее нашего Солнца — и они излучали много энергии в форме экстремального ультрафиолетового света. Эта энергия была настолько интенсивной, что, когда она ударяла о близлежащие атомы водорода, она расщепляла их на протоны и электроны в процессе, называемом ионизацией. Спустя сотни миллионов лет, когда почти весь водород во Вселенной стал ионизированным, эпоха реионизации закончилась.

Учитывая, что примерно 75% всей материи —  водород, это представляет собой колоссальную трансформацию. «Это последнее крупное изменение, которое должно произойти», — объяснил Джулиан Муньос, доцент кафедры астрономии Техасского университета в Остине и ведущий автор новой статьи. «Вы перешли от нейтрального, холодного и скучного к ионизированному и горячему. И это произошло не только с одной или двумя галактиками. Это произошло со всей Вселенной».

«Этот процесс нагревал и ионизировал газ во Вселенной, что регулировало скорость роста и эволюции галактик», — добавил Джон Чисхолм, доцент кафедры астрономии в Техасском университете в Остине и соавтор статьи. «Эти ранние звезды создали общую структуру галактик во Вселенной».

Поскольку астрономы не могут наблюдать процесс реионизации напрямую, они должны использовать модели, чтобы предсказать, когда он закончился. Эти модели основаны на косвенных доказательствах, включая измерения того, сколько света дошло до нас от послесвечения Большого взрыва, называемого космическим микроволновым фоном.

Другим свидетельством является раннее обилие волн, связанных с энергетическими изменениями в водороде, называемое лесом Лайман-альфа (многократное повторение абсорбционной линии Лайман-альфа в спектрах далеких астрономических объектов). Оба эти факта помогают астрономам рассчитать, сколько водорода было преобразовано во время реионизации и, соответственно, сколько энергии для этого потребовалось.

«Это игра в бухгалтерию», — говорят ученые. «Мы знаем, что весь водород был нейтральным до реионизации. С этого момента вам нужно достаточно сильный ультрафиолет, чтобы разделить каждый атом. Так что в конце дня вы можете провести математические расчеты, чтобы выяснить, когда реионизация закончилась».

Теперь космический телескоп Джеймс Уэбб бросает вызов устоявшимся моделям. С его помощью астрономы могут заглянуть в космос дальше, чем когда-либо прежде, глубоко в ту критическую эпоху. Это приводит ко многим неожиданным наблюдениям в ранней Вселенной, одним из которых является большее, чем ожидалось, количество галактик, излучающих экстремальный ультрафиолет. «JWST показал, что ярких галактик достаточно, чтобы ионизировать Вселенную самостоятельно. Это противоречит тому, чего ожидали многие».

Таким образом, с учетом этих новых наблюдений, подсчет теперь неверный. «Если бы вы слепо доверяли Джеймсу Уэббу, он бы сказал вам, что реионизация закончилась через 550–650 миллионов лет после Большого взрыва, а не через 1 миллиард лет, как сейчас оценивают», — объяснил Джулиан Муньос. «Если бы это было правдой, космический микроволновый фон выглядел бы иначе, и лес Лайман-альфа выглядел бы иначе. Так что есть напряжение».

Другими словами, маловероятно, что реионизация произошла на сотни миллионов лет раньше, чем предсказывалось. Так что же происходит? Одним из объяснений может быть то, что в устоявшихся моделях отсутствует некоторая ключевая информация.

Например, иногда ионизированные протоны и электроны объединяются, чтобы заново сформировать нейтральные атомы водорода. Этот процесс называется рекомбинацией. Если бы это происходило чаще, чем предполагают современные модели, это могло бы увеличить количество экстремального ультрафиолетового света, необходимого для ионизации всей Вселенной.

«Нам нужны более подробные и глубокие наблюдения галактик , а также лучшее понимание процесса рекомбинации», — сказал Джулиан Муньос. «Разрешение напряжения по поводу реионизации — ключевой шаг к окончательному пониманию этого поворотного периода. Я с нетерпением жду, что принесут нам ближайшие годы».