Сверхновые не расчищают путь ионизирующему излучению, а перекрывают его, выяснили астрономы с помощью «Хаббла»

Международная группа исследователей во главе с учеными Мичиганского университета, используя космический телескоп «Хаббл», обнаружила, что ионизирующее излучение покидает молодые компактные галактики на самом раннем этапе их жизни — до того, как взрывы сверхновых породят мощные галактические ветры, которые впоследствии перекрывают этот поток. Результаты работы, меняющие привычные представления о механизме реионизации ранней Вселенной, опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Примерно через сто тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена горячей плотной плазмой, непрозрачной для света. Когда она остыла, электроны и протоны объединились в нейтральный водород, и космос погрузился в глубокий туман, сквозь который не мог пробиться ультрафиолет. Этот мрак продолжался сотни миллионов лет, пока не зажглись первые звезды и галактики.

Их жесткое излучение постепенно разорвало нейтральные атомы на заряженные частицы, и туман рассеялся. Этот процесс, названный реионизацией, стал последним крупным фазовым переходом в истории Вселенной — и до сих пор остается одной из самых интригующих загадок астрофизики. Ведь ученые знают, что он произошел, но до недавнего времени не могли точно сказать, какие именно объекты послужили его источником и как их свет сумел вырваться наружу.

Одна из ведущих гипотез долгое время отводила главную роль ветрам, которые создают взрывы сверхновых. Считалось, что эти потоки газа раздувают в галактиках своеобразные полости и расчищают дорогу ионизирующему излучению. Однако команда под руководством Коди Карра, научного сотрудника кафедры астрономии Мичиганского университета, проверила эту идею на практике, наблюдая за ближайшими галактиками со вспышками звездообразования. Эти объекты по своим свойствам напоминают те далекие системы, которые, как полагают, участвовали в реионизации. Анализируя спектры их света, исследователи измерили, насколько быстро движется газ в галактических ветрах, и сопоставили эти данные с долей ультрафиолета, которой удается покинуть галактику.

Картина оказалась прямо противоположной ожиданиям. Галактики с самыми быстрыми и мощными ветрами пропускали наружу меньше всего ионизирующего излучения. Газ и пыль, поднятые взрывами сверхновых, не расчищали путь свету, а, наоборот, создавали дополнительную преграду, поглощая и рассеивая энергичные фотоны.

«По сути, механизм утечки ионизирующего излучения из этих галактик оказался не таким, как мы предполагали», — признает Коди Карр. Зато ученые заметили другое: излучение наиболее свободно вырывалось из самых молодых систем, чей возраст не превышал трех миллионов лет. В эту пору в галактике бушует интенсивное излучение молодых массивных звезд и сильные звездные ветры, но сверхновые еще не успели взорваться и заполнить пространство плотным газом. Как только первые сверхновые вступают в игру, примерно через десять миллионов лет после начала звездообразования, ветры усиливаются, нагружаются веществом и пылью, и выход излучения резко падает.

«Наши наблюдения показывают, что эти фотоны улетучиваются до того, как образуются галактические ветры», — поясняет Карр. Его коллега Реньюэ Цен, профессор и директор Центра космологии и вычислительной астрофизики Чжэцзянского университета, подчеркивает, что сверхновые играют центральную роль в космологических моделях, описывающих выход излучения из галактик, и новые данные заставляют пересмотреть эти построения.

Теперь исследователям предстоит изучить, как именно излучение и ветры молодых звезд формируют окружающий газ еще до первого взрыва сверхновой. Для этого команда планирует получить дополнительное время наблюдений на «Хаббле», чтобы охватить больше галактик и проверить свою идею. Пока же полученные результаты могут лечь в основу компьютерного моделирования, которое поможет астрономам глубже понять, как юная Вселенная выбиралась из водородного тумана.

Итог исследования таков: утечка ионизирующего излучения из компактных галактик достигает пика в первые три миллиона лет их жизни, когда систему наполняют свет и звездные ветры, но еще нет быстрого галактического ветра. В более зрелых системах, старше трех миллионов лет, сверхновые порождают мощные потоки газа, обогащенные пылью, и эти потоки подавляют выход излучения. Иными словами, главным «окном» для реионизации может оказаться короткий ранний период, а сверхновые, которым прежде отводили роль очистителей пути, на деле выступают в роли заграждения.