Декількома словами
У статті розповідається про дослідження епохи реіонізації за допомогою космічного телескопа «Джеймс Вебб» та інших інструментів. Розглядаються питання утворення перших зірок, галактик та ролі темної матерії у ранньому Всесвіті. Обговорюються нові відкриття та майбутні дослідження в цій галузі астрономії. Ключові слова: реіонізація, космос, галактики, темна матерія, телескоп «Джеймс Вебб».
Протягом мільйонів років після Великого вибуху
Протягом мільйонів років після Великого вибуху, коли охолола суміш частинок всесвіту, космос був темним і нудним місцем. Не було зірок, які б випромінювали світло, жодних вирів галактик, жодних планет. Весь всесвіт був оповитий нейтральним воднем.
Приблизно через 100 мільйонів років все почало змінюватися. У наступні мільярди років всесвіт перетворився з нецікавого та непримітного ландшафту на багатий і динамічний. Ця глибока зміна почалася, коли запалали перші зірки. Горіння зірок генерувало тепло, створюючи нову матерію, а їхнє інтенсивне світло почало розривати водень, що пронизував всесвіт. Електрони відривалися від атомів, залишаючи більшу частину водню — найпоширенішого елементу у всесвіті — в іонізованому стані, в якому він перебуває й сьогодні.
Великий вибух створив гарячий іонізований суп субатомних частинок. Сотні тисяч років потому, у явищі, відомому як рекомбінація, утворилися нейтральні атоми. Настав період, відомий як Темні віки; всесвіт був пронизаний газом нейтрального водню. Але коли перші зірки запалали, приблизно через 100 мільйонів років після Великого вибуху, вони відірвали електрони від водню, поступово реіонізуючи космос. NAOJ
Цей вирішальний період, коли весь водень перейшов з однієї форми в іншу, відомий як епоха реіонізації. Він почався з нашого космічного світанку і дав початок сучасній ері з усіма її чудовими текстурами та особливостями. Він слугує фоном для того, як розвивався всесвіт.
«Це остання велика зміна, яка відбувається в нашому всесвіті», — стверджує астрофізик-теоретик Хуліан Муньос з Техаського університету в Остіні (США). Все змінилося за ці мільярди років і не сильно змінилося в наступні мільярди років.
Хоча існують моделі, які описують, як міг відбутися цей великий перехід, все ще існують великі прогалини. Коли утворилися перші зірки і коли світло, що вирвалося з галактик, які їх містили, спричинило реіонізацію? Які галактики найбільше відповідальні за це і яку роль відігравали чорні діри? Як відбувалася реіонізація в часі та просторі? Які підказки вона може дати для інших космічних таємниць, таких як природа темної матерії?
«Ми не розуміємо, як всесвіт став таким, яким він є сьогодні», — каже Муньос. Деякі відповіді зараз у межах досяжності, завдяки новим інструментам, які дозволяють вченим зазирнути в глибини першого мільярда років існування всесвіту. Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), запущений у 2021 році, спостерігає за галактиками, які існували лише через сотні мільйонів років після Великого вибуху, і вже дивує. Водночас радіотелескопи нового покоління зосереджуються не на галактиках, а на нейтральному водні, який колись заполонив увесь простір. Цей водень дає підказки про те, як розвивалася епоха реіонізації та інші характеристики космосу.
«Інструменти, які ми зараз можемо використовувати для вивчення цієї епохи космічної історії, не схожі ні на що, що ми мали раніше», — стверджує астрофізик Роб Сімко з Массачусетського технологічного інституту (MIT).
Світло в надлишку
Наше сучасне розуміння розвитку раннього всесвіту виглядає приблизно так: після Великого вибуху, 13,8 мільярда років тому, космос розширився, і первинний суп субатомних частинок охолов. Протони та нейтрони утворилися в першу секунду. Протягом перших хвилин вони об’єдналися в атомні ядра. Приблизно через 380 000 років ці ядра почали захоплювати електрони, утворюючи перші атоми. Ця віха, коли іонізований суп перетворився на нейтральні атоми, відома як рекомбінація (неправильний термін, оскільки ядра та електрони ніколи раніше не об’єднувалися).
До того, як електрони були захоплені в атоми, вони розсіювали світло, як густий туман у фарах автомобіля. Але з контрольованими електронами фотони могли вилітати космосом. Сьогодні ці частинки світла досягають нас у вигляді слабкого сяйва, відомого як космічне мікрохвильове фонове випромінювання.
Тоді всесвіт увійшов у те, що відомо як Темні віки. З воднем і деякою кількістю гелію в космосі не було нічого, що могло б виробляти світло. Однак бульбашки темної матерії почали притягувати навколишній газ, і частина його конденсувалася достатньо, щоб запустити ядерний синтез. Через сто мільйонів років або більше після Великого вибуху в нашому космічному світанку запалали перші зірки. Коли ці перші зірки горіли, їхнє іонізуюче ультрафіолетове світло почало вириватися з їхніх галактик. Це створило бульбашки іонізованого водню, які росли, поки не злилися, зрештою заповнивши космос.
JWST готовий відповісти на багато запитань про перші галактики та про те, як їхнє світло сприяло процесу реіонізації. Однак наразі телескоп ставить більше запитань, ніж відповідей. У перші часи було набагато більше галактик, ніж вважали вчені, і ці галактики виробляли набагато більше світла, ніж було потрібно для реіонізації всесвіту.
Перші зображення, опубліковані телескопом, були переповнені галактиками, які датуються менш ніж 600 мільйонами років після Великого вибуху. Потім, наприкінці 2022 року, надійшло підтвердження найдавнішої на сьогодні галактики: вона існувала лише через 350 мільйонів років після Великого вибуху. Цей рекорд був побитий астрофізиком Брантом Робертсоном з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі та його колегами, коли вони оголосили про існування галактики, яка датується 290 мільйонами років після Великого вибуху.
Багато з цих галактик яскравіші та масивніші, ніж очікувалося: у 2023 році шість галактик, які датуються 700 мільйонами років після Великого вибуху, потрапили в заголовки газет через те, наскільки зрілими вони вже виглядали. Незважаючи на ранній період їхнього існування, їхні зоряні маси конкурують з масами сучасного Чумацького Шляху, який налічує 60 мільярдів сонячних мас зірок.
Стандартна теорія не може пояснити стільки зореутворення так рано, тому ці галактики отримали прізвисько «руйнівники всесвіту». «Це справжнє божевілля», — стверджує астрофізик Еріка Нельсон з Університету Колорадо в Боулдері та співавтор дослідження. «Це означає, що ранній всесвіт або більш хаотичний і з більшою кількістю спалахів, ніж ми думали, або всесвіт, в якому речі можуть розвиватися швидше».
Відкриття можуть змусити переглянути еволюцію галактик. І вони ставлять великі питання щодо реіонізації. Навіть найслабші первісні галактики, виявлені JWST, виробляють велику кількість світла реіонізації, вчетверо більше, ніж очікувалося, виявив астрофізик Хакім Атек з Інституту астрофізики Парижа та його колеги. Незважаючи на низьку світність, цих галактик достатньо, щоб майже самостійно реіонізувати всесвіт.
JWST також виявляє ознаки того, що надмасивні чорні діри утворилися набагато раніше, ніж вважалося в космічній історії; високоенергетичне випромінювання, яке вони генерують, живлячись навколишньою матерією, також сприяло б реіонізації.
Муньос і його колеги у статті 2024 року під назвою «Реіонізація після JWST: криза фотонного бюджету?» припускають, що з усім цим світлом всесвіт мав реіонізуватися раніше, ніж ми знаємо.
Насправді це не криза, каже Муньос. Існуючі дослідження встановили, що реіонізація закінчилася через 1,1 мільярда років після Великого вибуху. Але очевидний надлишок світла реіонізації є чітким сигналом того, що чогось не вистачає в нашій картині раннього всесвіту. «Ми не знаємо всіх частин головоломки», — каже він.
Шукаємо підказки у водні
Інші зусилля спрямовані на відстеження реіонізації за допомогою радіотелескопів останнього покоління, щоб побачити, скільки нейтрального водню існувало з часом у ранньому всесвіті. Вчені досліджували цей водень іншими способами. Наприклад, розсіювання світла космічного мікрохвильового фону дає підказки про загальну кількість реіонізації з моменту випромінювання цього світла, приблизно через 380 000 років після Великого вибуху.
Квазари, яскраві маяки випромінювання, що утворюються масивними чорними дірами, що живляться, дають ще одну підказку. Нейтральний водень поглинає певні довжини хвиль світла квазарів на шляху до спостерігача, надаючи сигнал про наявність водню. Але коли ми наближаємось до більш ранніх епох, квазарів стає менше.
Тому вчені зараз прагнуть виявити радіосигнал, що надходить від самого нейтрального водню, до його іонізації, простежуючи його аж до космічного світанку і навіть до темних віків. Цей сигнал, відомий як лінія 21 сантиметр, виявляється з 1950-х років і широко використовується в астрономії, але його ще не було остаточно локалізовано з раннього всесвіту.
Радіосигнал виникає через квантовий перехід в електроні нейтрального водню. Перехід, який випромінює трохи електромагнітного випромінювання на довжині хвилі 21 сантиметр, відбувається нечасто. Але коли нейтрального водню багато, його можна виявити.
І сигнал може зробити більше, ніж просто відстежувати місцезнаходження нейтрального водню. Він також служить своєрідним термометром. Вчені можуть використовувати його, щоб краще зрозуміти космічну температуру, включаючи підказки про те, коли енергія впорскується в міжгалактичне середовище у вигляді світла або тепла.
Ці вибухи енергії можуть надходити від перших зірок і чорних дір, що їх живлять. Або енергія може вказувати на щось більш екзотичне: взаємодії між темною матерією та самою собою, або невідомі взаємодії між темною матерією та більш звичною матерією. Такі взаємодії, зазначає Муньос, можуть нагрівати або охолоджувати міжгалактичне середовище. Лінія 21 см пропонує спосіб дослідити процеси, які відбуваються, включно зі стимульованими несподіваною фізикою. «Вона може надати інформацію, яку інакше неможливо отримати», — стверджує він.
Телескоп, який шукає цей відбиток пальця, — це Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA). Якщо JWST відомий своєю складністю та вартістю, то HERA простіший. Він «зроблений з ПВХ-труб, металевої сітки та телефонних стовпів», — пояснює астрофізик Джош Діллон з Каліфорнійського університету в Берклі.
HERA складається з 350 радіоантен, розкиданих на 5% квадратного кілометра в провінції Північний Кейп у Південній Африці. Хоча сам телескоп є низькотехнологічним, його спостереження вимагають найсучаснішої обробки сигналів і аналізу даних. Це пояснюється тим, що сигнал, слабкий за своєю природою, потрібно виявити серед радіошуму нашої галактики та інших.
Діллон порівнює виявлення сигналу 21 сантиметра зі слуханням високих частот на концерті, коли низькі частоти в 100 000 разів гучніші. «Ось чому цього ще не було зроблено», — стверджує він.
HERA шукає статистичне вимірювання просторових коливань сигналу 21 сантиметр. Ці коливання зумовлені змінами в розподілі нейтрального водню в космосі і, отже, дають уявлення про те, як розподілені газ, зірки та галактики. Інші групи, натомість, прагнуть зробити глобальне вимірювання, яке фіксує середній сигнал по всьому космосу. Оскільки методи відрізняються, один може допомогти перевірити інший.
Темна матерія вже була використана для пояснення ймовірного виявлення. У 2018 році дослідники з Експерименту з виявлення підпису глобальної епохи реіонізації, або EDGES, повідомили про виявлення усередненого сигналу 21 сантиметр, який відповідає моменту, коли світло перших зірок почало взаємодіяти з навколишнім воднем.
Сигнал є інтенсивнішим, ніж очікувалося, що свідчить про холодніший газоподібний водень, ніж передбачалося, що викликало великий скептицизм навколо цього твердження. Деякі дослідники вказали на взаємодію між газоподібним воднем і темною матерією як на можливе пояснення, але таке пояснення вимагатиме несподіваної фізики.
«Існує багато фантастичних теорій», — стверджує спостережлива космологиня Сара Босман з Гейдельберзького університету в Німеччині. «Вони мають бути фантастичними», — зазначає вона, тому що жодна звичайна фізика не дасть сили, яку побачив EDGES.
Босман визнає, що є однією з небагатьох людей, які в захваті від цього твердження, яке, за її словами, мотивувало дослідників, які працюють над іншими експериментами, які могли б підтвердити або спростувати його. «Це дало великий поштовх цій галузі», — стверджує вона.
HERA та інші телескопи є попередниками Square Kilometer Array, який спробує картографувати сигнал 21 сантиметр по всьому небу. Цей масив з’єднає радіоантени з Південної Африки та Австралії в найбільший радіотелескоп, який коли-небудь будували. Хоча він ще будується, телескоп з’єднав дві свої станції, щоб отримати свої перші дані у 2024 році.
Кращі інструменти, глибші знання
Ніхто насправді не знає, чого очікувати від сигналу 21 сантиметр, зазначає Босман. Він може вимагати лише незначних коригувань у існуючій картині космічної еволюції, або ж може відкрити нову фізику, яка повністю перепише наше розуміння. Поки що занадто рано говорити.
Але Діллон каже, що лінія 21 сантиметр може одного дня запропонувати «найбільший можливий набір даних». Кінцевою метою є дослідження часового проміжку від приблизно 100 мільйонів років після Великого вибуху до одного мільярда років після нього. Цей проміжок становить менше 10% загального часу існування всесвіту, але, через постійне розширення всесвіту, часовий проміжок охоплює приблизно половину об’єму видимого всесвіту.
Майбутні інструменти допоможуть дістатися минулого. Існує кілька пропозицій щодо нових радіотелескопів у космосі та навіть на Місяці, де вони будуть вільні від земних перешкод. Найдавніший сигнал 21 сантиметр досягне нас на довжинах хвиль, які відбиваються від іоносфери Землі, зазначає Анастасія Фіалков, космологиня та астрофізик з Інституту астрономії Кембриджського університету в Англії. Космічні або місячні телескопи могли б уникнути цієї проблеми.
Будь-який слід 21 сантиметра буде вивчатися разом зі спостереженнями JWST за першими галактиками, а також зі спостереженнями його наступника, Космічного телескопа Ненсі Грейс Роман, і майбутніх наземних обсерваторій, таких як Надзвичайно великий телескоп, європейська ініціатива, яка зараз будується в Чилі.
Стаття перекладена Деббі Понхнер.
Ця стаття спочатку з’явилася в Knowable іспанською мовою, некомерційному виданні, присвяченому донесенню наукових знань до кожного.
