Исследование показало, как во Вселенной появился свет и рассеялась тьма

Ученые узнали, что принесло свет в темную и бесформенную пустоту ранней Вселенной. Согласно данным космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», источником свободно летающих фотонов на раннем космическом рассвете были карликовые галактики, которые вспыхнули, очистив мутный туман водорода, заполнивший межгалактическое пространство.

«Это открытие раскрывает решающую роль, которую ультра тусклые галактики сыграли в эволюции ранней 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 галактик малой массы в формировании истории Вселенной».

В начале Вселенной, через несколько минут после Большого взрыва, пространство было заполнено горячим, густым туманом ионизированной плазмы. Имевшийся небольшой свет не смог бы проникнуть сквозь этот туман, фотоны просто рассеялись бы на свободных электронах, плавающих вокруг, погрузив Вселенную в темноту. Когда Вселенная остыла, протоны и электроны примерно через 300 тыс. лет начали объединяться, образуя нейтральный газообразный водород и немного гелия. Свет большинства волн мог проникнуть в эту нейтральную среду, но источников света было очень мало. Из этого водорода и гелия родились первые звезды.

Эти первые звезды излучали достаточно сильно, чтобы оторвать электроны от их ядер и повторно ионизировать газ. Однако к этому моменту Вселенная расширилась настолько, что газ стал рассеянным и не мог препятствовать сиянию света. Примерно через 1 млрд лет после Большого взрыва, конца периода, известного как космический рассвет, Вселенная была полностью реионизирована. Так появился свет.

Поскольку на космическом рассвете было много мрака, а также потому, что он настолько тусклый, далеко во времени и пространстве было трудно что-либо увидеть. Ученые полагали, что были мощные источники, ответственные за большую часть прояснения, например огромные черные дыры, аккреция которых производит яркий свет, и звездообразования в больших галактиках. JWST был разработан, в частности, чтобы заглянуть в космический рассвет и попытаться увидеть, что там скрывается. Это оказалось очень успешным и выявило множество сюрпризов в этот решающий момент формирования нашей Вселенной. Удивительно, но наблюдения телескопа теперь показывают, что карликовые галактики являются ключевым игроком в реионизации.

Международная группа под руководством астрофизика Хакима Атека из Парижского института астрофизики обратилась к данным JWST о скоплении галактик под названием Abell 2744, подкрепленным данными Хаббла. Абелл 2744 настолько плотен, что пространство-время искажается 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 детальных спектров этих крошечных галактик. Их анализ показал, что карликовые галактики не только являются самым распространенным типом галактик в ранней Вселенной, но и намного ярче, чем ожидалось. Фактически, исследования группы показывают, что карликовые галактики превосходят по численности большие галактики в соотношении 100 к одному, а их коллективное излучение в четыре раза превышает ионизирующее излучение, обычно предполагаемое для более крупных галактик.

«Эти космические электростанции в совокупности излучают более чем достаточно энергии для выполнения работы, — говорит Атек. — Несмотря на свой крошечный размер, эти маломассивные галактики являются плодовитыми производителями энергетического излучения, и их численность в этот период настолько значительна, что их коллективное влияние может изменить все состояние Вселенной». Это лучшее доказательство силы, стоящей за реионизацией, но предстоит еще многое сделать. Исследователи посмотрели на один небольшой участок неба. Им необходимо убедиться, что их выборка — это не просто аномальное скопление карликовых галактик, а репрезентативная выборка всего населения космического рассвета.

Они намерены изучить больше областей неба с космическими линзами, чтобы получить более широкую выборку раннего галактического населения. Но только на этом образце результаты невероятно впечатляющие. Ученые искали ответы на вопрос о реионизации с тех пор, как мы о ней узнали. Мы находимся на грани того, чтобы наконец развеять туман. «С JWST мы вступили на неизведанную территорию, — говорит астрофизик Темия Нанаяккара из Технологического университета Суинберна в Австралии. — Эта работа открывает более интересные вопросы, на которые нам нужно ответить, пытаясь составить схему эволюционной истории нашего происхождения».

Более десяти лет назад в рамках проекта Dark Energy Survey (DES) началось картирование Вселенной с целью понять природу загадочного явления, известного как темная энергия. В проекте участвовали более 100 ученых. Согласно результатам исследования, опубликованным на 243-й встрече Американского астрономического общества в Новом Орлеане, Вселенная не расширяется бесконечно, а значит, она не разорвется, уничтожив планеты, галактики и само пространство-время, как предполагалось ранее.