Астрономи успяха да видят първите проблясъци във Вселената в зората на времето

Около един милиард години след Големия взрив Вселената става напълно прозрачна в резултат на „рейонизация„, чийто произход до голяма степен остава загадъчен. Нови доказателства показват, че това странно явление е причинено от излъчването на първичните галактики. Това излъчване трябва да е нагряло заобикалящия газ достатъчно, за да го рейонизира и да го направи прозрачен.

Първите няколко милиарда години след Големия взрив (преди повече от 13,8 милиарда години) са особено нестабилен и променлив период. През първите няколко хиляди години във Вселената е преобладавала мъгла от горещ, йонизиран газ, състоящ се от водород (75%), хелий ( 25%) и следи от литий и деутерий. През този период, сполучливо наречен Тъмните векове, светлината не е могла да проникне през газа.

Прозрачността, която дава възможност за разсейване на светлината

Около 300 000 години след Големия взрив непрозрачната газова мъгла, която е доминирала в ранната Вселена, започва постепенно да се охлажда, което позволява на протоните и електроните да се съединяват и да образуват атоми. Тази фаза, известна като „рекомбинация“ и продължила 150 милиона години, е първата голяма преходна фаза на Вселената. Намаляването на броя на свободните електрони е позволило на светлината да се разпространява през газа. Но по това време не е имало източници на светлина, като например звезди.

Малко по-късно газът постепенно се сгъстява, което позволява образуването на звезди и галактики. Раждането на тези галактики предизвикало втора важна преходна фаза, по време на която газът започнал отново да се нагрява, а след това и да рейонизира. В резултат на това явление, около един милиард години след Големия взрив, Вселената става напълно прозрачна, позволявайки на светлината свободно да се разпръсва.

Учените считат, че рейонизацията е била причинена от високоенергийната ултравиолетова радиация, излъчвана от първичните галактики. Останките от тази епоха обаче са редки и твърде отдалечени. Нашите конвенционални телескопи, чието виждане в момента е затъмнено от милиарди тонове материя, все още не са в състояние да потвърдят тази теория.

Но днес космическият телескоп „Джеймс Уеб“ променя ситуацията, като предоставя нови данни, които изглежда потвърждават тази хипотеза. Анализът на тези данни, допълнен с няколко препратки и публикуван на сървъра за препринти arXiv, най-накрая повдига завесата над тази мистериозна фаза на нашата Вселена.

Райониране „мехури“

Проучването на Университета в Гронинген, Нидерландия, се базира на първото откриване на специфична дължина на вълната на водорода, известна като „водородна алфа„, излъчвана по време на рейонизацията, което показва образуването на звезди. Всъщност нехомогенността на плътността, която е преобладавала през този период, е била такава, че водородните атоми са започнали да се сблъскват и да стават много горещи. Тъй като газът продължил да колапсира, той започнал да натрупва огромни количества материя. В резултат на това първичните звезди са били много масивни и бързо са еволюирали в свръхнови или хипернови. Тези изключително нестабилни звезди изпускат високоенергийно ултравиолетово лъчение, което се поглъща от околния газ. Рейонизираният по време на този процес водород изпуска лъчение с определена дължина на вълната (алфа).

Данните на холандските изследователи показват, че най-мощните емисии на алфа водород съответстват на образуването на около една четвърт от общата плътност на звездната материя. Получените резултати предполагат, че тези два елемента са изиграли ключова роля в рейонизацията на Вселената.

От друга страна, японско проучване допълва тези данни, като предполага, че рейонизацията не е била равномерен процес, а постепенно се е разпространявала, като първоначално е образувала своеобразни мехури около областите, излъчващи ултравиолетови лъчи.

„Уебб не само ясно показва, че тези прозрачни области са около галактиките, но на базата на тези данни ние също така определихме техния размер“, обяснява водещият автор на научната работа Даичи Кашино от Университета в Нагоя. „Благодарение на данните от телескопа Джеймс Уеб можем да видим как галактиките реионизират газа около тях“, добавя той.

Според тази теория тези прозрачни газообразни области биха били гигантски (с диаметър около 4 милиона светлинни години) в сравнение с галактиките и с течение на времето биха се разпространявали все по-надалеч и по-надалеч (радиацията рейонизира атомите в резултат на рекомбинацията), за да могат накрая да се слеят и да покрият цялото пространство. По аналогия галактиката може да се сравни с грахово зърно, окачено в центъра на голям балон. Освен това тези примитивни галактики (които 900 милиона години след Големия взрив вече са съществували) не приличат на съвременните галактики и са изключително активни.

Друга група учени изследва момента преди края на рейонизацията, когато Вселената не е била нито напълно прозрачна, нито напълно непрозрачна. С други думи, когато са съществували различни състояния на газа. За тази цел учените насочват телескопа „Джеймс Уеб“ към първичен квазар, в чийто център има много активна и екстремно светеща свръхмасивна черна дупка. Тази светлина позволи да се идентифицират различните газови състояния между въпросния квазар и нашата точка на наблюдение.

Когато светлината от квазар преминава през пространството, тя или се поглъща от непрозрачен (нейонизиран) газ, или преминава през прозрачен (йонизиран) газ.

„Като осветява газа по линията на нашето наблюдение, квазарът ни дава подробна информация за неговия състав и състояние“, обяснява Ан-Кристин Ейлърс от Масачузетския технологичен институт.

Тези данни позволиха на учените да идентифицират галактики в близост до тази линия на наблюдение и да стигнат до заключението, че прозрачните области около тях имат радиус от около 2 милиона светлинни години.

Освен това Ейлърс и екипът му са установили, че черната дупка в центъра на този квазар е най-масивната от известните в ранната Вселена – близо 10 милиарда слънчеви маси. Засега астрономите не могат да обяснят причината за тази маса. Благодарение на Джеймс Уеб обаче те са успели да идентифицират 117 галактики, които са съществували още от времето на рейонизацията.