Астрономы обнаружили следы «предварительного нагрева» ранней Вселенной
Согласно новым наблюдениям, Вселенная прошла этап «предварительного нагрева» до начала периода реионизации, что ставит под сомнение общепринятую гипотезу о том, что этот процесс происходил при сверхнизких температурах. Сигналы нагрева межгалактической среды были обнаружены через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Эти наблюдения предоставляют новые ключи к пониманию перехода космоса от Темных веков к эпохе Реионизации.
Первый миллиард лет после Большого взрыва ознаменовался рождением первых звезд и галактик, а также переходом от непрозрачного пространства к ионизированному и прозрачному космосу. Период непрозрачности, названный Темными веками Вселенной, характеризовался пространством, заполненным нейтральным водородом, который не пропускал свет. Затем этот газ, как считается, коллапсировал в отдельных областях, формируя первые звезды и галактики.
Первое поколение звезд, которое производило значительно больше энергии, чем современные светила, и испускало, в частности, ультрафиолетовое излучение, ионизировало нейтральный водород. Этот период называется Реионизацией Вселенной. Лишенный своих электронов, ионизированный водород сделал космос прозрачным, позволив свету свободно распространяться и выводя раннюю Вселенную из Темных веков.
С момента начала своей работы космический телескоп «Джеймс Уэбб» раскрыл новые детали о первых поколениях галактик и об этом переходном периоде ранней Вселенной. Данные телескопа, например, показали, что массивные галактики существовали раньше, чем предполагалось. Также, по-видимому, существует сверхплотность галактик, испускающих ионизирующее излучение, по сравнению с ожидаемым распределением нейтрального водорода в межгалактической среде.
С другой стороны, ионизационная эффективность ранних галактик значительно превышает ту, что предсказывалась на основе количества присутствующего нейтрального водорода. Эти противоречивые наблюдения породили дебаты о том, как на самом деле протекала Реионизация. Некоторые гипотезы предполагают, что Реионизация началась раньше, в то время как другие утверждают обратное.
Однако, хотя существование этапа Реионизации широко признано астрономами, ее детальное описание до сих пор остается теоретическим. Несмотря на то, что передовые инструменты, такие как «Джеймс Уэбб», обнаружили множество ранних космических объектов, точный этап перехода от Темных веков к Реионизации еще никогда не фиксировался радиотелескопами.
Исследовательская группа под руководством Международного центра радиоастрономических исследований (ICRAR) в Университете Кертина в Австралии предоставила новые ключи к пониманию этого неуловимого периода в рамках двух новых исследований, опубликованных в The Astrophysical Journal. Для проведения наблюдений исследователи использовали телескоп Murchison Widefield Array (MWA), расположенный в обсерватории Inyarrimanha Ilgari Bundara (CSIRO Murchison) в Западной Австралии. Чтобы изучить период реионизации ранней Вселенной, команде необходимо было изолировать очень слабый радиосигнал длиной 21 сантиметр, называемый «линией водорода».
Технически этот сигнал должен проходить сквозь скопления материи, рассеивающие более короткие волны видимого света, неся таким образом информацию о Темных веках Вселенной. Чтобы его обнаружить, астрономам необходимо идентифицировать и устранить все другие источники радиоволн. Эти сигналы включают излучение близлежащих звезд и галактик, помехи от земной атмосферы и даже шум, генерируемый самим телескопом. Только после тщательного вычитания этих «сигналов переднего плана» оставшиеся данные могут раскрыть сигналы от эпохи реионизации, как объяснила Ридхима Нунхоки, ведущий автор одного из исследований.
Команда Нунхоки разработала методы, позволяющие уменьшить помехи и получить более чистый сигнал. Исследователи также интегрировали данные MWA, собранные за десятки лет, и утверждают, что они как никогда близки к обнаружению сигнала линии водорода. Огромный объем высококачественных данных позволил исследователям идентифицировать сигнал нагрева межгалактической среды через 800 миллионов лет после Большого взрыва, период, который, вероятно, соответствует разгару Реионизации, а не более ранней стадии. Действительно, холодная Вселенная производила бы сигнал, видимый в новых данных, а его отсутствие исключает «холодный старт» реионизации. Другими словами, ранняя Вселенная, по-видимому, была предварительно нагрета до того, как полностью реионизировалась.
По мере эволюции Вселенной газ между галактиками расширяется и остывает, поэтому ожидается, что он будет очень и очень холодным, поясняет Кэтрин Тротт, руководитель проекта «Эпоха реионизации» в ICRAR и ведущий автор второго исследования. Однако измерения ее команды подтверждают, что ранняя Вселенная была, по крайней мере, слегка нагрета. Хотя степень этого нагрева была относительно невелика, она исключает изначально предсказанную сверххолодную реионизацию.
По мнению научных групп, это нагревание, вероятно, было вызвано энергией, вырабатываемой первыми источниками рентгеновского излучения, такими как черные дыры и первые звезды. Исследователи также полагают, что сигнал Реионизации может быть обнаружен, как только данные будут достаточно усовершенствованы и очищены.