Астрономы из Института астрономии Макса Планка датировали 1,1 миллиардом лет момент, когда весь нейтральный водородный газ между галактиками, образовавшийся в результате Большого взрыва, полностью ионизировался: конец космического рассвета.
В темные времена ранней Вселенной космос заполнял только нейтральный газ, и не было никакого источника света. С появлением первых звезд и галактик, примерно 100 миллионов лет спустя, этот газ был снова ионизирован ультрафиолетовым (УФ) излучением звезд. Это время было известно как «космический рассвет» или эпоха реионизации.
Международная группа астрономов под руководством Сары Босман из Института астрономии Макса Планка (MPIA) точно определила время окончания эпохи реионизации нейтрального водородного газа. Согласно , это произошло бы примерно через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва. Новый результат разрешает споры, длившиеся два десятилетия, и показывает, что радиационные сигнатуры 67 квазаров содержат отпечатки водородного газа, через который прошел свет, прежде чем достигнуть Земли. Определение места окончания космического восхода поможет определить источники ионизации: первые звезды и галактики.
Изучение космического восхода по спектральным линиям квазаров
Чтобы понять время, когда молодая Вселенная была полностью ионизирована, Босман и ее команда проанализировали излучение 67 квазаров. Это яркие диски горячего газа, окружающие массивные центральные черные дыры в далеких активных галактиках. Наблюдая электромагнитный спектр квазаров, астрономы выделяют так называемые линии поглощения.
Они вызваны нейтральным водородным газом, который поглощает часть излучения на своем пути от источника к телескопу на Земле. Спектры этих 67 квазаров отличаются беспрецедентным качеством, что имело решающее значение для успеха данного исследования.
Метод предполагает наблюдение спектральной линии, эквивалентной длине волны 121,6 нанометра (нанометр — это одна миллиардная часть метра). Эта длина волны относится к ультрафиолетовому диапазону и является самой сильной спектральной линией водорода. Однако космическое расширение смещает спектр квазара в сторону более длинных волн, чем дальше распространяется свет. Поэтому красное смещение наблюдаемой ультрафиолетовой линии поглощения может быть переведено в расстояние источника от Земли.
Затем свет от проанализированных квазаров проходит через множество водородных облаков на разных расстояниях на своем пути. Каждое из этих облаков оставляет свой отпечаток в небольших сдвигах в сторону красного от ультрафиолетового диапазона в электромагнитном спектре. Анализ изменения пропускания каждой красно-сдвинутой линии должен дать возможность определить время или расстояние, на котором водородный газ был полностью ионизирован.
Продолжительность космического рассвета определяет природу и среднее время жизни источников во Вселенной в это время. Фредерик Дэвис, также астроном MPIA и соавтор статьи, комментирует:
До нескольких лет назад преобладало мнение, что реионизация завершилась почти на 200 миллионов лет раньше. Теперь у нас есть самые убедительные доказательства того, что этот процесс завершился гораздо позже. В космическую эпоху, которую легче наблюдать с помощью средств наблюдения нынешнего поколения. Эта временная поправка может показаться незначительной, учитывая миллиарды лет, прошедшие с момента Большого взрыва. Однако еще несколько сотен миллионов лет было достаточно для создания нескольких десятков звездных поколений в ранней космической эволюции.
Астрономы применили физическую модель, которая воспроизводит вариации, измеренные в гораздо более позднюю эпоху, когда межгалактический газ уже был полностью ионизирован. Когда они сравнили модель со своими результатами, то обнаружили отклонение на длине волны, где линия 121,6 нанометра была смещена в 5,3 раза. Это соответствует возрасту космической зари в 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва.
Светлое будущее: что мы увидим с помощью ELT и JWST
Косвенный подход, используемый командой, в настоящее время является единственным способом охарактеризовать объекты, которые стимулировали процесс реионизации. Непосредственное наблюдение за этими ранними звездами и галактиками находится за пределами возможностей наших телескопов, которые слишком слабы, чтобы получить полезные данные за разумный промежуток времени.
Даже оборудование нового поколения, такое как чрезвычайно большой телескоп ESO (ELT) или космический телескоп Джеймса Уэбба, может не справиться с такой задачей. Тем не менее Дэвис говорит: «Этот новый набор данных является важнейшим эталоном, по которому в ближайшие годы будут проверяться численные симуляции первых миллиардов лет существования Вселенной«.
Исследователи намерены расширить проделанную работу до еще более ранних времен, до середины процесса реионизации в ранней Вселенной. Безусловно, хотя и с некоторыми трудностями, новые инструменты помогут нам охарактеризовать ионизирующие источники и самые ранние поколения звезд.