Группа астрономов во главе с Сарой Босман из Института астрономии Макса Планка точно рассчитала время окончания эпохи реионизации нейтрального газообразного водорода примерно через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва. Реионизация началась, когда первое поколение звезд образовалось после космических «темных веков» — длительного периода, когда только нейтральный газ заполнил Вселенную без каких-либо источников света. Новый результат разрешает спор, который длился два десятилетия и следует из радиационных сигнатур 67 квазаров с отпечатками газообразного водорода, через который прошел свет, прежде чем он достиг Земли. Определение конца этой «космической зари» поможет определить источники ионизации: первые звезды и галактики.
Вселенная претерпела различные фазы от своего начала до своего нынешнего состояния. В течение первых 380 000 лет после Большого взрыва это была горячая и плотная ионизированная плазма. По истечении этого периода он остыл достаточно, чтобы протоны и электроны, наполнявшие Вселенную, объединились в нейтральный водород .атомы. По большей части в эти «темные века» во Вселенной не было источников видимого света. С появлением первых звезд и галактик примерно через 100 миллионов лет этот газ снова стал постепенно ионизироваться ультрафиолетовым (УФ) излучением звезд. Этот процесс отделяет электроны от протонов, оставляя их свободными частицами. Эта эпоха широко известна как «космическая заря». Сегодня весь водород, разбросанный между галактиками, межгалактический газ, полностью ионизирован. Однако когда это произошло, это широко обсуждаемая тема среди ученых и высококонкурентная область исследований.
Поздний конец космического рассвета
Международная группа астрономов во главе с Сарой Босман из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, теперь точно рассчитала время окончания эпохи реионизации через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва. «Я очарована идеей различных фаз, через которые прошла Вселенная, что привело к формированию Солнца и Земли. Для меня большая честь внести новый небольшой вклад в наши знания о космической истории», — говорит Сара Босман. Она является основным автором исследовательской статьи, опубликованной сегодня в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества .
Фредерик Дэвис, также астроном MPIA и соавтор статьи, комментирует: «Еще несколько лет назад господствовало мнение, что реионизация завершилась почти на 200 миллионов лет раньше. позже, в космическую эпоху, более доступную для наблюдения современными средствами наблюдения». Эта поправка на время может показаться незначительной, учитывая миллиарды лет, прошедшие после Большого Взрыва. Однако хватило еще нескольких сотен миллионов лет, чтобы в ранней космической эволюции образовалось несколько десятков звездных поколений. Время наступления эры «космического рассвета» ограничивает характер и время жизни ионизирующих источников, присутствующих в течение сотен миллионов лет, которые она длилась.
Этот косвенный подход в настоящее время является единственным способом охарактеризовать объекты, которые привели к процессу реионизации. Наблюдение за этими первыми звездами и галактиками напрямую выходит за рамки возможностей современных телескопов. Они просто слишком слабые, чтобы получить полезные данные за разумное время. Даже средства нового поколения, такие как Чрезвычайно большой телескоп ESO (ELT) или космический телескоп Джеймса Уэбба, могут столкнуться с такой задачей.
Квазары как космические зонды
Чтобы выяснить, когда Вселенная была полностью ионизирована, ученые применяют разные методы. Один из них заключается в измерении эмиссии нейтрального газообразного водорода на знаменитой 21-сантиметровой спектральной линии. Вместо этого Сара Босман и ее коллеги проанализировали свет, полученный от сильных фоновых источников. Они использовали 67 квазаров, ярких дисков горячего газа, окружающих центральные массивные черные дыры в далеких активных галактиках. Глядя на спектр квазара, который визуализирует его интенсивность, распределенную по наблюдаемым длинам волн, астрономы находят закономерности, в которых кажется, что свет отсутствует. Это то, что ученые называют линиями поглощения.. Нейтральный газообразный водород поглощает эту часть света на пути от источника к телескопу. Спектры этих 67 квазаров имеют беспрецедентное качество, что имело решающее значение для успеха этого исследования.
Метод включает в себя просмотр спектральной линии, эквивалентной длине волны 121,6 нанометров. Эта длина волны относится к УФ-диапазону и является самой сильной спектральной линией водорода. Однако космическое расширение сдвигает спектр квазара в сторону более длинных волн, чем дальше распространяется свет. Следовательно, красное смещение наблюдаемой линии УФ-поглощения можно перевести в расстояние от Земли. В этом исследовании эффект переместил УФ-линию в инфракрасный диапазон, когда она достигла телескопа.
В зависимости от соотношения между нейтральным и ионизированным газообразным водородом степень поглощения или, наоборот, пропускания через такое облако достигает определенного значения. Когда свет попадает в область с высокой долей ионизированного газа, он не может эффективно поглощать УФ-излучение. Это свойство — то, что искала команда.
Свет квазара проходит через множество водородных облаков на разных расстояниях на своем пути, каждое из которых оставляет свой отпечаток при меньших красных смещениях из УФ-диапазона. Теоретически анализ изменения пропускания на линию с красным смещением должен дать время или расстояние, на котором газообразный водород был полностью ионизирован.
Модели помогают распутать конкурирующие влияния
К сожалению, обстоятельства еще сложнее. С момента окончания реионизации полностью ионизировано только межгалактическое пространство. Существует сеть частично нейтрального вещества, соединяющая галактики и скопления галактик, называемая «космической паутиной». Там, где газообразный водород нейтрален, он также оставляет свой след в свете квазара.
Чтобы распутать эти влияния, команда применила физическую модель , которая воспроизводит изменения, измеренные в гораздо более позднюю эпоху, когда межгалактический газ уже был полностью ионизирован. Когда они сравнили модель со своими результатами, они обнаружили отклонение на длине волны, при которой линия 121,6 нанометра была смещена в 5,3 раза, что соответствует космическому возрасту в 1,1 миллиарда лет. Этот переход указывает на время, когда изменения в измеренном свете квазара становятся несовместимыми с флуктуациями только из космической паутины. Следовательно, это был самый поздний период, когда нейтральный газообразный водород должен был находиться в межгалактическом пространстве и впоследствии ионизироваться. Это был конец «космического рассвета».
Будущее яркое
«Этот новый набор данных представляет собой важнейшую точку отсчета, по сравнению с которой численное моделирование первого миллиарда лет жизни Вселенной будет проверено на долгие годы», — говорит Фредерик Дэвис. Они помогут охарактеризовать ионизирующие источники, самые первые поколения звезд.
«Самое захватывающее будущее направление нашей работы — расширить ее до еще более ранних времен, ближе к середине процесса реионизации», — отмечает Сара Босман. «К сожалению, большие расстояния означают, что эти более ранние квазары значительно слабее. Поэтому расширенная область сбора телескопов следующего поколения, таких как ELT, будет иметь решающее значение».
