Изначально, после Большого взрыва, Вселенная представляла собой пространство, заполненное холодным, нейтральным газом, который препятствовал распространению света от звезд. Однако, к счастью, за космологическими Темными веками последовала эпоха реионизации. Первые звезды и галактики ионизировали межгалактическую среду, и Вселенная вновь стала видимой. Сейчас ученые обнаружили древнейшую галактику, излучение которой ионизирует окружающий нейтральный газ.
Постепенно происходила реионизация Вселенной, сопровождаемая формированием галактик и рождением новых звезд. Изначально предполагалось, что этот процесс стартовал примерно через 600-800 миллионов лет после Большого взрыва. Однако данные, полученные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» и касающиеся излучения древнейших галактик, ставят под вопрос эти оценки. Вероятно, реионизация началась значительно раньше.
При изучении процессов «реионизации» Вселенной исследователи обращают внимание на спектральные линии водорода, в частности, на линии серии Лаймана, и особенно на линию Лайман-альфа. Под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения от звезд водород переходит в возбужденное состояние. Возвращаясь в нейтральное состояние, он испускает излучение на линии Лайман-альфа.
Межгалактический газ в основном состоит из водорода. В условиях, когда водород почти полностью ионизирован, излучение Лайман-альфа, возникающее при переходе молекул в нейтральное состояние, не поглощается близлежащими частицами, а достигает нас. В отношении ранней Вселенной это указывает на то, что первоначальный источник излучения, ионизирующего водород, был достаточно энергичным, чтобы эффективно реионизировать окружающее пространство.
С помощью орбитального телескопа «Джеймс Уэбб» астрономы идентифицировали значительное количество потенциальных древнейших галактик. Некоторым из них удалось подтвердить существование даже найти в них кислород. Но для того, чтобы уверенно выявить линию Лайман-альфа в их сильно смещенном спектре, необходимо убедиться в этом разными методами. Наконец, это удалось.
Астрономы обнаружили линию Лайман-альфа в спектре галактики JADES-GS-z13-1-LA (красное смещение 13,0). Галактика предстает перед нами в том виде, в каком она существовала примерно через 332 миллиона лет после Большого взрыва. Обнаружение линии Лайман-альфа в сочетании с интенсивным рентгеновским излучением, исходящим от галактики, свидетельствует о том, что этот объект активно генерирует ионизирующие фотоны. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Согласно результатам компьютерного моделирования, галактика JADES-GS-z13-1-LA содержит молодые звезды (возрастом 10-20 миллионов лет) с небольшим количеством тяжелых элементов. Эти звезды потенциально могут являться источником ионизирующего излучения, однако это возможно лишь в том случае, если большая их часть представляет собой звезды гипотетического III поколения. Анализ спектра галактики указывает на то, что это маловероятно.
Ионизирующее излучение исходит от сверхмассивной черной дыры в центре галактики, активно поглощающей материю. Эффективный радиус JADES-GS-z13-1-LA, определяемый как радиус области, где излучается половина света галактики, составляет около 114 световых лет, что меньше, чем у других древних галактик. Таким образом, излучение сконцентрировано в центре.
Согласно расчетам, проведенным авторами исследования, галактика сформировала вокруг себя область ионизированного межгалактического газа, радиус которой составляет около 650 тысяч световых лет. В настоящий момент не столь принципиально, является источником излучения звездная популяция или активное ядро галактики. Наиболее значимым является тот факт, что JADES-GS-z13-1-LA подтверждает, что процесс реионизации Вселенной начался всего через 330 миллионов лет после Большого взрыва. Ранее ученые предполагали, что источником существенной части излучения, вызвавшего реионизацию Вселенной могли быть «сбежавшие» звезды.