Як ультрафіолетове світло від перших зірок і галактик знову іонізувало водень, роблячи Всесвіт прозорим
У космічній історії реіонізація позначає кінець Темних віків – періоду після рекомбінації, коли Всесвіт був заповнений нейтральними атомами водню, а яскравих джерел (зірок, галактик) ще не було. Коли почали світитися перші зорі, галактики та квазари, їхні високоефективні (переважно ультрафіолетові) фотони іонізували навколишній водневий газовий хмар, перетворюючи нейтральний міжгалактичний середовище (IGM) на сильно іонізовану плазму. Це явище, відоме як космічна реіонізація, суттєво змінило прозорість Всесвіту на великому масштабі та підготувало сцену для нашого знайомого, наповненого світлом Всесвіту.
У цій статті ми розглянемо:
- Нейтральний Всесвіт після рекомбінації
- Перше світло: зорі III покоління, ранні галактики та квазари
- Процес іонізації та формування бульбашок
- Хід часу та докази спостережень
- Невирішені питання та сучасні дослідження
- Важливість реіонізації в сучасній космології
2. Нейтральний Всесвіт після рекомбінації
2.1 Темні віки
Приблизно від 380 000 років після Великого вибуху (коли відбулася рекомбінація) до утворення перших джерел світла (приблизно через 100–200 млн. років) Всесвіт здебільшого був нейтральним, складеним із водню та гелію, що залишилися від нуклеосинтезу Великого вибуху. Цей період називають Темними віками, оскільки без зірок чи галактик не було значущих нових джерел світла, окрім охолоджуючого космічного мікрохвильового фону (КМФ).
2.2 Домінування нейтрального водню
Під час Темних віків міжгалактична середа (IGM) була майже повністю нейтральним воднем (H I), який ефективно поглинає ультрафіолетові фотони. Коли матерія почала збиратися в гало темної матерії, а стародавні газові хмари колапсували, сформувалися перші зорі III покоління. Їхні інтенсивні потоки випромінювання згодом суттєво змінили стан IGM.
3. Перше світло: зорі III покоління, ранні галактики та квазари
3.1 Зорі III покоління
Теоретично передбачається, що перші зорі – зорі III покоління – не мали металів (складалися майже виключно з водню та гелію) і, ймовірно, були дуже масивними, можливо, навіть десятків чи сотень сонячних мас. Вони позначали кінець Темних віків, часто називаних Космічним світанком. Ці зорі випромінювали інтенсивне ультрафіолетове (UV) випромінювання, здатне іонізувати водень.
3.2 Ранні галактики
Оскільки формування структур відбувалося ієрархічно, невеликі гало темної матерії з'єднувалися, утворюючи більші, з яких формувалися перші галактики. У них утворилися зорі II покоління, які ще більше збільшували потік ультрафіолетових фотонів. З часом ці галактики – не лише зорі III покоління – стали основним джерелом іонізуючого випромінювання.
3.3 Квазари та AGN
Квазари з високим червоним зсувом квазари (активні ядра галактик, що живляться надмасивними чорними дірами) також сприяли реіонізації, особливо гелію (He II). Хоча їхній вплив на реіонізацію водню все ще обговорюється, вважається, що роль квазарів особливо зросла в пізніші періоди, наприклад, під час реіонізації гелію при z ~ 3.
4. Процес іонізації та бульбашки
4.1 Локальні іонізаційні бульбашки
Коли кожна нова зірка чи галактика починала випромінювати фотони високої енергії, ці фотони поширювалися назовні, іонізуючи навколишній водень. Так утворювалися ізольовані «бульбашки» (або області H II) іонізованого водню навколо джерел. Спочатку ці бульбашки були поодинокими і досить маленькими.
4.2 Взаємодія між бульбашками
Зі збільшенням кількості нових джерел та їхньої яскравості ці іонізовані бульбашки розширювалися і зливалися. Колись нейтральний IGM перетворився насамперед на плями нейтральної та іонізованої речовини. Коли епоха реіонізації наближалася до кінця, області H II злилися, і більшість водню у Всесвіті залишилася іонізованою (H II), а не нейтральною (H I).
4.3 Хронологія реіонізації
Вважається, що реіонізація тривала кілька сотень мільйонів років, охоплюючи червоні зсуви приблизно від z ~ 10 до z ~ 6. Хоча точні дати досі є предметом досліджень, близько z ≈ 5–6 більшість IGM вже була іонізована.
5. Хронологія та докази спостережень
5.1 Ефект Ганна–Петерсона
Важливим індикатором реонізації є так званий тест Ганна–Петерсона, що досліджує спектри далеких квазарів. Нейтральний водень у IGM добре поглинає фотони на певних довжинах хвиль (особливо в лінії Lyman-α), тому в спектрі квазара з'являється зона поглинання. Спостереження показують, що при z > 6 цей ефект Ганна–Петерсона стає сильним, вказуючи на значно більшу частку нейтрального водню та підкреслюючи завершення реонізації [1].
5.2 Космічний мікрохвильовий фон (КМФ) та поляризація
КМФ вимірювання також дають підказки. Вільні електрони з іонізованої середовища розсіюють КМФ фотони, залишаючи слід поляризації на великих кутових масштабах. Дані з WMAP та Planck обмежують середній час і тривалість реонізації [2]. Вимірюючи оптичну товщину τ (ймовірність розсіяння), космологи можуть визначити, коли більша частина водню у Всесвіті стала іонізованою.
5.3 Lyman-α емісійні галактики
Спостереження галактик, які випромінюють сильну лінію Lyman-α (так звані Lyman-α емісійні галактики), також дають інформацію про реонізацію. Нейтральний водень легко поглинає фотони Lyman-α, тому виявлення таких галактик при високих червоних зсувів свідчить про прозорість IGM.
6. Невирішені питання та сучасні дослідження
6.1 Співвідношення внеску різних джерел
Одне з ключових питань – співвідношення внеску різних іонізуючих джерел. Хоча зрозуміло, що найперші галактики (через масивні зорі, що в них утворилися) були важливими, скільки до реонізації внесли зірки III покоління, звичайні зоряні галактики та квазари – залишається предметом дискусій.
6.2 Тьмяні галактики
Останні дані дозволяють припустити, що значну частку іонізуючих фотонів могли забезпечувати слабкі, слабо помітні галактики, які важко виявити. Їхня роль могла бути ключовою у завершенні реонізації.
6.3 21 см космологія
Спостереження 21 см лінії водню відкривають можливість безпосередньо досліджувати епоху реонізації. Такі експерименти, як LOFAR, MWA, HERA та майбутній Square Kilometre Array (SKA), прагнуть відобразити на картах розподіл нейтрального водню, показуючи, як змінювалися іонізовані бульбашки під час реонізації [3].
7. Важливість реонізації в сучасній космології
7.1 Формування та еволюція галактик
Реонізація діяла як матерія, що може стискатися у структури. Коли IGM став іонізованим, вища температура ускладнила колапс газу у дрібні гало. Тому для розуміння ієрархічного розвитку галактик необхідно оцінити вплив реонізації.
7.2 Зворотний зв'язок
Реіонізація не є одностороннім процесом: іонізація та нагрівання газу гальмують подальше формування зірок. Гарячіше, іонізоване середовище гірше колапсує, тому зворотний зв’язок фотоіонізації може пригнічувати зоряну активність у найменших гало.
7.3 Перевірка астрофізичних і фізичних моделей частинок
Порівнюючи дані реіонізації з теоретичними моделями, науковці можуть перевірити:
- Властивості перших зір (популяції III) та ранніх галактик.
- Роль темної матерії та її дрібномасштабна структура.
- Точність космологічних моделей (наприклад, ΛCDM), можливі корекції чи альтернативні теорії.
8. Висновок
Реіонізація доповнює історію Всесвіту – від нейтрального, темного початкового стану до світлого, іонізованого міжгалактичного середовища. Цей процес ініціювали перші зорі та галактики, а їх ультрафіолетове світло поступово іонізувало водень по всьому космосу (між z ≈ 10 та z ≈ 6). Дані спостережень – від спектрів квазарів, ліній Lyman-α, поляризації КМФ до найновіших спостережень лінії 21 см – все точніше відтворюють цю епоху.
Проте залишається багато ключових питань: Хто були основними джерелами реіонізації? Яким був точний розвиток і структура іонізованих регіонів? Як реіонізація вплинула на подальше формування галактик? Нові та майбутні дослідження обіцяють надати глибше розуміння, висвітлюючи, як астрофізика та космологія переплелися, щоб створити одну з найбільших ранніх трансформацій Всесвіту.
Посилання та додаткове читання
- Gunn, J. E., & Peterson, B. A. (1965). “On the Density of Neutral Hydrogen in Intergalactic Space.” The Astrophysical Journal, 142, 1633–1641.
- Planck Collaboration. (2016). “Planck 2016 Intermediate Results. XLVII. Planck Constraints on Reionization History.” Astronomy & Astrophysics, 596, A108.
- Furlanetto, S. R., Oh, S. P., & Briggs, F. H. (2006). “Cosmology at Low Frequencies: The 21 cm Transition and the High-Redshift Universe.” Physics Reports, 433, 181–301.
- Barkana, R., & Loeb, A. (2001). “In the Beginning: The First Sources of Light and the Reionization of the Universe.” Physics Reports, 349, 125–238.
- Fan, X., Carilli, C. L., & Keating, B. (2006). “Observational Constraints on Cosmic Reionization.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 44, 415–462.
Спираючись на ці важливі спостереження та теоретичні моделі, ми розглядаємо реіонізацію як виняткову подію, що поклала край Темним вікам і відкрила шлях вражаючим космічним структурам, видимим на нічному небі, одночасно надаючи безцінну можливість досліджувати ранні моменти світла Всесвіту.