Заря Вселенной: кто или что зажгло первый свет в космосе?
Представьте себе время, когда Вселенная была совершенно иной — молодой, темной и бесформенной. Сразу после Большого Взрыва, около 13,8 миллиардов лет назад, космос представлял собой горячий, плотный туман из ионизированной плазмы. В этом первобытном «супе» свет, если и существовал, не мог свободно распространяться. Фотоны постоянно рассеивались на свободных электронах, делая Вселенную непрозрачной, погруженной в вечную мглу. Космология ранней Вселенной — это область, полная захватывающих загадок.
Ранняя Вселенная
По мере расширения и остывания Вселенной, примерно через 300 000 лет после Большого Взрыва, протоны и электроны начали объединяться, образуя нейтральные атомы водорода и небольшое количество гелия. Этот переход сделал среду в основном прозрачной для большинства длин волн света. Однако возникла другая проблема: источников этого самого света практически не было. Вселенная стала прозрачной, но темной. Эпоха, последовавшая за этим, известна как «темные века» космоса. Но как же тогда наш мир преобразился в тот светлый и структурированный космос, который мы наблюдаем сегодня? Что или кто «включило свет» на заре времен?
Этот вопрос десятилетиями волновал астрофизиков. Период, когда зажглись первые звезды и галактики, и их излучение начало ионизировать нейтральный водород, заполнявший межгалактическое пространство, получил название «эпоха реионизации» или «космический рассвет». Считается, что к моменту, когда Вселенной исполнился примерно один миллиард лет, этот процесс полностью завершился, и космос стал полностью ионизированным и прозрачным для света. Но идентификация главных «виновников» этого глобального преображения оставалась сложной задачей. Наблюдения за столь удаленными объектами чрезвычайно затруднены из-за их тусклости и огромных расстояний, измеряемых в миллиардах световых лет.
Тайна космоса
Долгое время ученые предполагали, что основную роль в реионизации играли мощные источники излучения. В качестве кандидатов рассматривались гигантские черные дыры, активно поглощающие материю (квазары), и крупные, массивные галактики, переживающие бурные вспышки звездообразования. Молодые, горячие звезды в таких галактиках производят большое количество ультрафиолетового излучения, способного отрывать электроны от атомов водорода. Однако прямых доказательств доминирующей роли именно этих объектов не хватало. Спектроскопия далеких галактик — ключ к пониманию этих процессов.
И вот благодаря совместной работе космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» (JWST), похоже, найдена разгадка этой древней тайны. Согласно данным, опубликованным в феврале 2024 года, главными «осветителями» ранней Вселенной оказались не гиганты, а крошечные карликовые галактики. Эти небольшие звездные системы, вспыхнув жизнью, начали испускать мощные потоки ионизирующих фотонов, которые постепенно рассеяли туман нейтрального водорода, заполнявший межгалактическое пространство. Это открытие, сделанное международной командой под руководством астрофизика Хакима Атека из Института астрофизики в Париже, меняет представления о ранних этапах эволюции космоса.
«Это открытие раскрывает решающую роль, которую играли ультра-тусклые галактики в эволюции ранней Вселенной, — заявила астрофизик Ирина Чемеринска из Института астрофизики в Париже. – Они производят ионизирующие фотоны, которые превращают нейтральный водород в ионизированную плазму во время космической реионизации. Это подчеркивает важность понимания маломассивных галактик в формировании истории Вселенной».
Исследователи использовали данные телескопа JWST по скоплению галактик Abell 2744, которое благодаря своей огромной массе действует как гравитационная линза, изгибая и усиливая свет от более далеких объектов. Это позволило «Уэббу» разглядеть чрезвычайно тусклые карликовые галактики, существовавшие в эпоху космического рассвета.
Мал да удал
Детальный спектральный анализ этих крошечных галактик принес удивительные результаты. Оказалось, что они не только являются самым распространенным типом галактик в ранней Вселенной, но и производят гораздо больше ионизирующего излучения, чем ожидалось. По оценкам команды, карликовые галактики превосходят по численности крупные галактики в соотношении 100 к 1, а их совокупный вклад в ионизирующее излучение в четыре раза превышает тот, что обычно приписывался более крупным галактикам.
«Эти космические электростанции коллективно излучают более чем достаточно энергии, чтобы выполнить эту работу, — сказал Атек. — Несмотря на свой крошечный размер, эти маломассивные галактики являются плодовитыми производителями энергетического излучения, и их распространенность в этот период настолько значительна, что их коллективное влияние может трансформировать все состояние Вселенной».
Это лучшее на сегодняшний день свидетельство в пользу ведущей роли карликовых галактик в процессе реионизации. Однако ученые отмечают, что работа еще не закончена. Исследователи изучили лишь небольшой участок неба. Необходимо убедиться, что их выборка не является аномальным скоплением карликовых галактик, а представляет собой репрезентативную картину всего населения галактик в эпоху космического рассвета.
В планах — изучение других областей неба с использованием эффекта гравитационного линзирования для получения более широкой выборки ранних галактических популяций. Но даже на основе этих первых результатов, перспективы захватывают дух.
«Сейчас с помощью JWST мы вступили на неизведанную территорию, — отметил астрофизик Темия Нанаяккара из Технологического университета Суинберна в Австралии. — Эта работа открывает еще более захватывающие вопросы, на которые нам предстоит ответить в наших усилиях по картированию эволюционной истории нашей Вселенной».
