Эпоха реионизации: Загадки ранней Вселенной

В течение миллионов лет после Большого взрыва, когда остыл суп из частиц Вселенной, космос был темным и скучным местом.

Не было звезд, излучающих свет, ни вихрей галактик, ни планет. Вся Вселенная была окутана нейтральным газообразным водородом.

Затем, примерно через 100 миллионов лет, все начало меняться. В течение следующих миллиардов лет Вселенная превратилась из унылого и невзрачного пейзажа в богатый и динамичный. Это глубокое изменение началось с того, что зажглись первые звезды. Горя, производя тепло и создавая новую материю, их интенсивный свет начал разрывать водород, пронизывающий Вселенную. Повсюду электроны отрывались от атомов, оставляя большую часть водорода — самого распространенного элемента во Вселенной — в ионизированном состоянии, в котором он остается и сегодня.

Большой взрыв создал горячий и ионизированный суп из субатомных частиц.

Сотни тысяч лет спустя, в ходе явления, известного как рекомбинация, образовались нейтральные атомы. За этим последовал период, известный как Темные века; Вселенная была пронизана нейтральным газообразным водородом. Но когда зажглись первые звезды, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, они оторвали электроны от водорода, постепенно реионизируя космос. NAOJ Этот важный период, когда весь этот водород перешел из одной формы в другую, известен как эпоха реионизации. Он начался с нашего космического рассвета и дал начало современной эре со всеми ее чудесными текстурами и особенностями. Он служит фоном для того, как росла Вселенная.

«Это последнее крупное изменение, которое происходит в нашей Вселенной», — говорит астрофизик-теоретик Джулиан Муньос из Техасского университета в Остине (США). Все изменилось за этот миллиард лет и не сильно изменилось за последующие миллиарды лет.

Хотя существуют модели, описывающие, как мог произойти этот великий переход, все еще существуют большие пробелы. Когда образовались первые звезды и когда свет, исходящий от галактик, в которых они находились, вызвал реионизацию? Какие типы галактик были наиболее ответственны за это и какую роль сыграли черные дыры? Как происходила реионизация во времени и в пространстве? Какие подсказки это может дать для других космических тайн, таких как природа темной материи?

«Мы не понимаем, как Вселенная стала такой, какая она есть сегодня», — говорит Муньос. Некоторые ответы теперь находятся в пределах досягаемости, благодаря новым инструментам, которые позволяют ученым заглянуть в глубины первых миллиардов лет существования Вселенной. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в 2021 году, наблюдает за галактиками, которые существовали всего через сотни миллионов лет после Большого взрыва, и уже преподносит сюрпризы. В то же время радиотелескопы нового поколения фокусируются не на галактиках, а на нейтральном водороде, который когда-то заполонил все пространство. Этот водород дает подсказки о том, как развивалась эпоха реионизации и другие особенности космоса.

«Инструменты, которые мы можем использовать сейчас для изучения этой эпохи космической истории, не похожи ни на что, что у нас было раньше», — говорит астрофизик Роб Симкоу из Массачусетского технологического института (MIT).

Изобилие света

Наше нынешнее понимание развития ранней Вселенной выглядит примерно так: после Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад космос расширился, и первичный суп из субатомных частиц остыл. В первую секунду образовались протоны и нейтроны. В первые минуты они объединились в атомные ядра. Примерно через 380 000 лет эти ядра начали захватывать электроны, образуя первые атомы. Эта веха, когда ионизированный суп превратился в нейтральные атомы, известна как рекомбинация (неправильный термин, поскольку ядра и электроны никогда раньше не объединялись).

До тех пор, пока они не были захвачены в атомы, свободные электроны рассеивали свет, как плотный туман в фарах автомобиля. Но с управляемыми электронами фотоны могли вырываться через космос. Сегодня эти частицы света достигают нас в виде слабого свечения, известного как космический микроволновый фон.

Затем Вселенная вошла в так называемые Темные века. С водородом и некоторым количеством гелия в космосе не было ничего, что могло бы производить свет. Однако пузыри темной материи занимались притягиванием окружающего газа, и часть его достаточно конденсировалась, чтобы вызвать ядерный синтез. Через сто миллионов лет или более после Большого взрыва в нашем космическом рассвете зажглись первые звезды. Когда эти первые звезды сгорели, их ионизирующий ультрафиолетовый свет начал вырываться из своих галактик. Это создало пузыри ионизированного водорода, которые росли, пока не слились, в конечном итоге заполнив космос.

JWST готов ответить на многие вопросы о первых галактиках и о том, как их свет стимулировал процесс реионизации. Однако на данный момент телескоп задает больше вопросов, чем ответов. В первые времена галактик было гораздо больше, чем думали ученые, и эти галактики производили гораздо больше света, чем необходимо для реионизации Вселенной.

Первые изображения, опубликованные телескопом, были полны галактик, датируемых менее чем 600 миллионами лет после Большого взрыва. Затем, в конце 2022 года, пришло подтверждение существования самой старой на сегодняшний день галактики: она существовала всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва. Этот рекорд был побит астрофизиком Брантом Робертсоном из Калифорнийского университета в Санта-Крус и его коллегами, когда они объявили о существовании галактики, датируемой 290 миллионами лет после Большого взрыва.

Многие из этих галактик ярче и массивнее, чем ожидалось: в 2023 году шесть галактик, датируемых 700 миллионами лет после Большого взрыва, попали в заголовки газет из-за того, насколько зрелыми они уже казались. Несмотря на раннюю эпоху, их звездные массы соперничают с массами современной Млечного Пути, которая насчитывает 60 миллиардов солнечных масс звезд.

Стандартная теория не может объяснить такое раннее звездообразование, поэтому эти галактики были прозваны «разрушителями Вселенной». «Это настоящее безумие», — говорит астрофизик Эрика Нельсон из Университета Колорадо в Боулдере и соавтор исследования. «Это подразумевает раннюю Вселенную, которая либо более хаотична и с большим количеством всплесков, чем мы думали, либо Вселенную, в которой вещи могут развиваться быстрее».

Открытия могут заставить пересмотреть эволюцию галактик. И они поднимают большие вопросы о реионизации. Даже самые слабые ранние галактики, обнаруженные JWST, производят огромное количество реионизирующего света, в четыре раза больше, чем ожидалось, обнаружили астрофизик Хаким Атек из Института астрофизики Парижа и его коллеги. Несмотря на низкую светимость, этих галактик достаточно, чтобы реионизировать Вселенную почти самостоятельно.

JWST также обнаруживает признаки того, что сверхмассивные черные дыры образовались гораздо раньше, чем считалось в космической истории; высокоэнергетическое излучение, которое они генерируют при поглощении окружающей материи, также внесло бы свой вклад в реионизацию.

При таком количестве света Вселенная должна была реионизироваться раньше, чем мы знаем, предполагают Муньос и его коллеги в статье 2024 года под названием «Реионизация после JWST: кризис бюджетного дефицита фотонов?»

На самом деле это не кризис, говорит Муньос. Существующие исследования установили, что реионизация закончилась через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва. Но кажущееся переизбыток реионизирующего света является четким признаком того, что чего-то не хватает в нашей картине ранней Вселенной. «Мы не знаем всех частей головоломки», — говорит он.

Поиск подсказок в водороде

Другие усилия направлены на отслеживание реионизации с помощью радиотелескопов последнего поколения, чтобы увидеть, сколько нейтрального водорода существовало с течением времени в ранней Вселенной. Ученые исследовали этот водород другими способами. Рассеяние света космического микроволнового фона, например, дает подсказки об общем количестве реионизации с момента излучения этого света, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.

Квазары, яркие маяки излучения, производимые питающимися массивными черными дырами, дают другую подсказку. Нейтральный водород поглощает определенные длины волн света квазаров на пути к наблюдателю, сигнализируя о присутствии водорода. Но по мере приближения к ранним эпохам квазаров становится меньше.

Поэтому ученые теперь стремятся обнаружить радиосигнал, исходящий от самого нейтрального водорода, до того, как он ионизировался, возвращаясь к космическому рассвету и даже к темным векам. Этот сигнал, известный как линия 21 сантиметр, обнаруживается с 1950-х годов и широко используется в астрономии, но он не был окончательно локализован из ранней Вселенной.

Радиосигнал возникает из-за квантового перехода в электроне нейтрального водорода. Переход, который излучает небольшое количество электромагнитного излучения на длине волны 21 сантиметр, происходит не часто. Но когда нейтрального водорода много, его можно обнаружить.

И сигнал может сделать больше, чем просто отследить местонахождение нейтрального водорода. Он также служит своего рода термометром. Ученые могут использовать его, чтобы лучше понять космическую температуру, включая подсказки о том, когда энергия вводится в межгалактическую среду в виде света или тепла.

Эти всплески энергии могут исходить от первых звезд и питающих их черных дыр. Или энергия может указывать на что-то более экзотическое: взаимодействие между темной материей и собой, или неизвестные взаимодействия между темной материей и более знакомой материей. Такие взаимодействия, отмечает Муньос, могут нагревать или охлаждать межгалактическую среду. Линия 21 см предлагает способ исследовать происходящие процессы, в том числе те, которые стимулируются неожиданной физикой. «Он может предоставить информацию, которую иначе не получить», — говорит он.

Одним из телескопов, ищущих этот отпечаток, является Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA). Если JWST известен своей сложностью и стоимостью, то HERA проще. Он «сделан из труб ПВХ, металлической сетки и телефонных столбов», — объясняет астрофизик Джош Диллон из Калифорнийского университета в Беркли.

HERA состоит из 350 радиоантенн, разбросанных на 5% квадратного километра в южноафриканской провинции Северный Кейп. Хотя сам телескоп является низкотехнологичным, его наблюдения требуют самой современной обработки сигналов и анализа данных. Это связано с тем, что сигнал, слабый по своей природе, должен быть обнаружен среди радиошума нашей галактики и других.

Диллон сравнивает обнаружение сигнала 21 сантиметра со слушанием высоких частот на концерте, когда басы в 100 000 раз громче. «Вот почему это еще не сделано», — говорит он.

HERA ищет статистическую меру пространственных колебаний сигнала 21 сантиметра. Эти колебания вызваны вариациями в распределении нейтрального водорода в космосе и, следовательно, дают представление о том, как распределяются газ, звезды и галактики. Другие команды, напротив, стремятся провести глобальное измерение, которое фиксирует средний сигнал по всему космосу. Поскольку методы различаются, один может помочь проверить другой.

Темная материя уже была вызвана для объяснения предполагаемого обнаружения. В 2018 году исследователи из эксперимента по обнаружению подписи глобальной эпохи реионизации, или EDGES, сообщили об обнаружении усредненного сигнала 21 сантиметра, который соответствует моменту, когда свет первых звезд начал взаимодействовать с окружающим водородом.

Сигнал более интенсивный, чем ожидалось, что указывает на более холодный газообразный водород, чем ожидалось, что подпитывает большой скептицизм в отношении этого утверждения. Некоторые исследователи указали на взаимодействие между газообразным водородом и темной материей в качестве возможного объяснения, но такое объяснение потребовало бы неожиданной физики.

«Есть много причудливых теорий», — говорит космолог-наблюдатель Сара Босман из Гейдельбергского университета в Германии. «Они должны быть причудливыми», — отмечает она, потому что никакая обычная физика не дала бы ту силу, которую видел EDGES.

Босман признает, что она одна из немногих людей, воодушевленных этим утверждением, которое, по ее словам, побудило исследователей, работающих над другими экспериментами, которые могли бы подтвердить или опровергнуть его. «Это дало большой импульс этой области», — говорит она.

HERA и другие телескопы являются предшественниками Square Kilometer Array, который попытается составить карту сигнала 21 сантиметра по всему небу. Этот массив соединит радиоантенны из Южной Африки и Австралии в самый большой радиотелескоп, когда-либо построенный. Хотя он все еще находится в стадии строительства, телескоп соединил две свои станции для получения своих первых данных в 2024 году.

Лучшие инструменты, более глубокие знания

Никто не знает, чего ожидать от сигнала 21 сантиметра, отмечает Босман. Это может потребовать лишь небольших корректировок в существующей картине космической эволюции, или это может обнаружить новую физику, которая полностью перепишет наше понимание. Еще слишком рано говорить.

Но Диллон говорит, что линия 21 сантиметра может когда-нибудь предложить «самый большой набор данных». Конечная цель состоит в том, чтобы исследовать временной промежуток от примерно 100 миллионов лет после Большого взрыва до миллиарда лет спустя. Этот промежуток составляет менее 10% от общего времени существования Вселенной, но из-за продолжающегося расширения Вселенной этот временной промежуток охватывает примерно половину объема видимой Вселенной.

Будущие инструменты помогут добраться до прошлого. Существуют различные предложения по новым радиотелескопам в космосе и даже на Луне, где они будут свободны от земных помех. Самый старый сигнал 21 сантиметра достигнет нас на длинах волн, которые отражаются от ионосферы Земли, отмечает Анастасия Фиалков, космолог и астрофизик из Института астрономии Кембриджского университета в Англии. Космические или лунные телескопы могли бы избежать этой проблемы.

Любые признаки 21 сантиметра будут изучаться вместе с наблюдениями JWST за первыми галактиками, а также с наблюдениями его преемника, космического телескопа Нэнси Грейс Роман, и будущих наземных обсерваторий, таких как Чрезвычайно Большой Телескоп, европейская инициатива, строящаяся в настоящее время в Чили.

Статья переведена Дебби Пончер.

Эта статья первоначально появилась в Knowable на испанском языке, некоммерческом издании, посвященном тому, чтобы сделать научные знания доступными для всех.