Примерно 400 000 лет после Большого взрыва космос был очень тёмным местом. Свечение, вызванное взрывным рождением Вселенной, остыло, и космос был заполнен плотным газом — в основном водородом — без каких-либо источников света.
Медленно, в течение сотен миллионов лет, газ под действием гравитации стягивался в сгустки, которые в итоге стали достаточно большими, чтобы запустить ядерный синтез. Это были первые звёзды.
Сначала их свет не распространялся далеко, так как большая его часть поглощалась газообразным туманом водорода. Однако по мере формирования всё большего количества звёзд они производили достаточно света, чтобы сжечь туман, «реионизовав» газ, и в итоге образовалась прозрачная Вселенная, усеянная яркими точками света, которую мы видим сегодня.
Но какие именно звёзды произвели свет, который положил конец тёмным векам и вызвал так называемую «эпоху реионизации»? В исследовании, опубликованном в журнале Nature астрономы использовали гигантское скопление галактик в качестве увеличительного стекла, чтобы рассмотреть слабые реликвии того времени — и обнаружили, что за эту трансформацию космического масштаба скорее всего, были ответственны звёзды в маленьких, тусклых карликовых галактиках.
Что положило конец тёмным векам?
Большинство астрономов уже согласились с тем, что галактики были главной силой в реионизации Вселенной, но было неясно, как они это сделали. Мы знаем, что звёзды в галактиках должны производить много ионизирующих фотонов, но эти фотоны должны покинуть пыль и газ внутри собственной галактики, чтобы ионизировать водород в пространстве между галактиками.
Пока неясно, какие галактики способны производить и излучать достаточно фотонов, чтобы справиться с этой задачей. (И действительно, есть те, кто считает, что за это могут быть ответственны более экзотические объекты, такие как большие чёрные дыры).
Среди приверженцев теории галактик есть два лагеря.
Первый считает, что ионизирующие фотоны создавали огромные массивные галактики. В ранней Вселенной таких галактик было не так много, но каждая из них производила много света. Так что если какая-то часть этого света успела улетучиться, этого могло быть достаточно для реионизации Вселенной.
Второй лагерь считает, что нам лучше игнорировать гигантские галактики и сосредоточиться на огромном количестве гораздо меньших галактик в ранней Вселенной. Каждая из них произвела бы гораздо меньше ионизирующего света, но благодаря своей многочисленности они могли бы стимулировать эпоху реионизации.
Увеличительное стекло шириной 4 миллиона световых лет
Пытаться рассмотреть что-либо в ранней Вселенной очень сложно. Массивные галактики встречаются редко, поэтому их трудно найти. Более мелкие галактики встречаются чаще, но они очень тусклые, что затрудняет (и удорожает) получение высококачественных данных.
Мы хотели взглянуть на одни из самых слабых галактик, поэтому использовали огромную группу галактик под названием Скопление Пандоры в качестве увеличительного стекла. Огромная масса скопления искажает пространство и время, усиливая свет от объектов за ним.
В рамках программы UNCOVER мы использовали космический телескоп Джеймса Уэбба, чтобы посмотреть на увеличенные инфракрасные изображения слабых галактик за Скоплением Пандоры.
Сначала мы рассмотрели множество различных галактик, а затем выбрали несколько особенно далёких (и, следовательно, древних) для более тщательного изучения. (Такое тщательное изучение стоит дорого, поэтому мы смогли более детально рассмотреть только восемь галактик).
Яркое свечение водорода
Мы выбрали несколько источников, яркость которых составляла около 0,5% от яркости нашей галактики Млечный Путь в то время, и проверили их на наличие характерного свечения ионизированного водорода. Эти галактики настолько слабы, что были видны только благодаря увеличивающему эффекту Скопления Пандоры.
Наши наблюдения подтвердили, что эти маленькие галактики действительно существовали в самой ранней Вселенной. Более того, мы подтвердили, что они излучают примерно в четыре раза больше ионизирующего света, чем мы считаем «нормальным». Это самый высокий предел того, что мы предсказывали, основываясь на нашем понимании того, как формировались ранние звёзды.
Поскольку эти галактики производили так много ионизирующего света, лишь малая его часть должна была улетучиться, чтобы реионизировать Вселенную.
Ранее мы полагали, что для того, чтобы ионизирующие фотоны стали доминирующим фактором реионизации, из этих малых галактик должно было улетучиться около 20 % всех ионизирующих фотонов. Наши новые данные говорят о том, что достаточно даже 5 % — это примерно та доля ионизирующих фотонов, которую мы наблюдаем, выходя из современных галактик.
Так что теперь мы можем с уверенностью сказать, что эти небольшие галактики могли сыграть очень большую роль в эпоху реионизации. Однако наше исследование было основано только на восьми галактиках, расположенных вблизи одной линии видимости. Чтобы подтвердить наши результаты, нам нужно будет посмотреть на другие участки неба.
Мы планируем новые наблюдения, которые будут направлены на другие крупные скопления галактик в других частях Вселенной, чтобы найти ещё больше увеличенных и слабых галактик для проверки. Если всё пойдёт хорошо, то через несколько лет мы получим ответы на некоторые вопросы.
