Как карликовые галактики очистили Вселенную от водородного тумана

Астрономы использовали космический телескоп Джеймс Уэбба (JWST), чтобы показать, что карликовые галактики очистили раннюю Вселенную от тумана атомарного водорода, и свет звезд впервые засиял в космосе.

Много карликовых галактик справились с очисткой Вселенной от первичного тумана лучше и быстрее, чем могли бы это сделать мощнейшие квазары и крупные галактики. Так случилось потому, что малых галактик было много.

Астрономы использовали космический телескоп Джеймс Уэбба (JWST), чтобы показать, что карликовые галактики очистили раннюю Вселенную от тумана атомарного водорода, и свет звезд впервые засиял в космосе.

Исследование международной команды астрофизиков показало, что карликовые галактики — примерно в 100 раз меньше Млечного Пути — вызвали процесс, известный как реионизация, который изменил космическую историю. «Вселенная стала прозрачной», — говорит Хаким Атек, астрофизик Парижского института астрофизики и ведущий автор исследования. — «Именно благодаря реионизации мы можем видеть далекие галактики».

Выход из темной эпохи Вселенной

Это сияние далекой галактики Джеймс Уэбб увидел сквозь гравитационную линзу
NASA

В течение примерно 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую и плотную печь из субатомных частиц. Когда космос остыл, свободные электроны и протоны объединились и образовали нейтральные атомы водорода.

За этим последовал мрачный период темной Вселенной. Это продолжалось до тех пор, пока газ не начал собираться в сгустки и формировать первые звезды, которые излучали ультрафиолетовый свет. Однако оставшийся газ, пронизывающий Вселенную, либо поглощал и рассеивал этот свет. В результате Вселенная напоминала туманный лес, в котором едва мерцают тусклые, мерцающие светлячки.

Чтобы сделать пространство прозрачным, как сегодня, нужно было бомбардировать водородный туман мощным «ионизирующим» излучением, которое могло бы превратить нейтральные атомы водорода в заряженные частицы или ионы водорода. Тремя кандидатами на источники такой «бомбардировки» были:

• мощные световые джеты — квазары, которые питаются сверхмассивными черными дырами
• массивные галактики примерно такого же размера, как Млечный Путь
• карликовые галактики.

Массивные галактики поглотили бы большую часть собственного ультрафиолетового света, говорит Клаудия Скарлата, астрофизик из Университета Миннесоты в Миннеаполисе. Квазаров было слишком мало, чтобы запустить такой энергоемкий процесс. А вот карликовые галактики были достаточно малы, чтобы их мог покинуть излучаемый ультрафиолет.

Наблюдения за молодыми карликовыми галактиками, расположенными достаточно близко к Земле, позволяют предположить, что они являются источников ионизирующего излучения. Тем не менее, «нет ничего лучше, чем наличие данных о ранних галактиках, подтверждающих это», — говорит Джеймс Роудс, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда NASA в Гринбелте, штат Мэриленд. Но карликовые галактики эпохи реионизации слишком малы и слишком тусклы, чтобы их можно было обнаружить. Это трудная задача даже для JWST.

Сказка о двух телескопах

Чтобы решить эту проблему, авторы исследования воспользовались «естественным телескопом»: скоплением галактик, расположенным на расстоянии около 1,2 миллиона парсек от Земли. Это скопление настолько огромно, что оно искажает проходящий через него свет, тем самым усиливая любой источник света, расположенный за гравитационной линзой, если смотреть с Земли.

Астрономы использовали этот «объектив» для наблюдения за восемью карликовыми галактиками эпохи реионизации, когда Вселенной было меньше одного миллиарда лет. Галактики являются самыми тусклыми объектами того времени, когда-либо наблюдавшимися с Земли.

Используя данные, собранные JWST, астрономы проанализировали длины волн ультрафиолетового света от этих галактик. Это позволило команде оценить, что даже эти слабые, маленькие галактики могли легко вытеснить водород вокруг себя. Исследователи подсчитали, что карликовые галактики были достаточно многочисленны в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, чтобы ионизировать всю Вселенную, даже если всего 5% их ионизирующего излучения ушло в межгалактическое пространство.

Карликовые галактики были первыми, которые сформировались во Вселенной, что «объясняет ранний запуск процесса реионизации» в истории космоса, говорит Роудс. Каждая такая галактика излучала ультрафиолет и фактически создавала пузырь прозрачности, который расширялся в тумане нейтрального газа. В конце концов, все пузыри всех галактик перекрылись и завершили «очистку» Вселенной.

Карликовые галактики надули пузыри меньшего размера, чем квазары или массивные галактики, но их было много, и распределенные по Вселенной маленькие пузыри могли бы гарантировать, что реионизация протекала однородно по всему пространству. Это, в свою очередь, имело определяющие последствия для архитектуры современной Вселенной, говорит Атек.