Наблюдая за очень слабыми карликовыми галактиками первых миллиардов лет существования Вселенной, исследователи обнаружили, что они в совокупности испускают достаточно энергичное излучение, чтобы запустить фазу космической реионизации. В частности, они предполагают, что общая энергия этого излучения в четыре раза больше, чем предполагалось ранее, а это значит, что эти галактики могли быть основными источниками фотонов в начале реионизации Вселенной.
В начале существования Вселенной, через несколько минут после Большого взрыва, пространство было заполнено горячим плотным облаком ионизированной плазмы. Однако этот туман был настолько плотным, а присутствующий свет настолько рассеянным, что фотоны быстро рассеивались, полностью затемняя Вселенную (темный век Вселенной). По мере остывания Вселенной, примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, протоны и электроны объединились, образовав нейтральный водород (и гелий).
Теоретически, первые массивные звезды, образовавшиеся из этого газа, реионизировали облако примерно через 600-800 миллионов лет после Большого взрыва, что позволило свету распространяться более свободно. Эти звезды должны были быть в 30-300 раз массивнее и в миллионы раз ярче Солнца. Поэтому они быстро исчерпали бы свое топливо и взорвались бы в виде сверхновой всего через несколько миллионов лет существования. Энергичное излучение, возникшее в результате роста и взрыва этих звезд, расщепило бы окружающие нейтральные атомы водорода на электроны и протоны (ионизация). Этот период известен как «реионизация Вселенной».
Однако точные источники, стоящие за этим масштабным переходом, до сих пор являются предметом споров. Астрономы потратили несколько десятилетий на то, чтобы найти достаточно мощные источники излучения, которые могли бы постепенно рассеять туман водорода, покрывавший раннюю Вселенную. Некоторые теоретические модели предполагают, что достаточно мощными источниками реионизации могли быть квазары, другие отдают предпочтение сверхсветящимся галактикам.
Недавно было высказано предположение, что карликовые галактики с низкой поверхностной яркостью (с очень низкой массой и светимостью) из-за их высокой плотности на заре Вселенной могли быть достаточно мощными источниками реионизации. Однако до сих пор не было сделано ни одного полного спектроскопического наблюдения маломассивных примитивных галактик из-за их крайне низкой светимости.
В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые из Парижского астрофизического института при Университете Сорбонны и Национального центра научных исследований (CNRS) впервые провели спектроскопические наблюдения самых слабых галактик, существовавших в течение первого миллиарда лет существования Вселенной. Полученные результаты согласуются с предыдущей теорией, демонстрируя, в частности, что эти галактики производили гораздо больше излучения, чем считалось ранее.
«Это открытие показывает решающую роль, которую играли сверхтусклые галактики в эволюции ранней Вселенной«, — объясняет Ирина Чемеринская, соавтор исследования и член команды из Парижского института астрофизики, в пресс-релизе Европейского космического агентства. «Они производят ионизирующие фотоны, которые превращают нейтральный водород в ионизированную плазму во время космической реионизации. Это подчеркивает важность понимания маломассивных галактик в формировании истории Вселенной«, — добавила она.
В 4 раза больше излучения, чем предполагалось ранее
Для изучения потенциальных источников реионизации во Вселенной исследователи использовали данные наблюдений космического телескопа «Хаббл» и «Джеймс Уэбб». Эти наблюдения проводились в рамках программы сверхглубоких наблюдений NIRSpec и NIRCam перед эпохой реионизации (UNCOVER). Скопление галактик Abell 2744 (или скопление Пандоры) использовалось в качестве гравитационной линзы (облегчающей наблюдения).
Изображение глубокого поля «Джеймса Уэбба» с некоторыми источниками, идентифицированными исследователями (как потенциальные причины реионизации).
В частности, команда объединила данные сверхглубокой визуализации с «Джеймса Уэбба» с изображениями Abell 2744, полученными «Хабблом», чтобы выбрать чрезвычайно слабые галактики-кандидаты в период реионизации. Abell 2744 настолько массивна, что значительно искажает окружающее пространство-время (и тем самым отклоняет свет от далеких галактик, проходящих через нее). Это дает эффект усиления, который позволил команде наблюдать очень слабые источники далекого света, в том числе 8 чрезвычайно слабых галактик, которые иначе было бы невозможно обнаружить даже с мощностью «Джеймса Уэбба».
«Невероятная чувствительность NIRSpec в сочетании с гравитационным усилением, обеспечиваемым Abell 2744, позволила нам идентифицировать и детально изучить эти галактики первых миллиардов лет существования Вселенной, хотя они более чем в 100 раз тусклее нашей галактики, Млечного Пути«, — объясняет ведущий автор исследования Хаким Атек из Парижского института астрофизики.
Результаты исследования показали, что, несмотря на низкую видимую светимость, эти галактики являются огромными производителями ионизирующего излучения. Это производство фактически в 4 раза больше, чем предполагалось ранее. Наблюдения также подтверждают, что диффузные карликовые галактики были самой многочисленной популяцией космических объектов во время реионизации. Это означает, что они, вероятно, были основным источником фотонов, которые привели к реионизации Вселенной.
«Эти космические электростанции в совокупности излучают более чем достаточно энергии для выполнения своей работы«, — объясняет Атек. «Несмотря на свои малые размеры, эти маломассивные галактики являются производителями энергичного излучения, и их изобилие в этот период настолько велико, что их коллективное влияние может изменить все состояние Вселенной«, — говорит он.
Однако, учитывая, что наблюдения касаются лишь небольшой области космоса, наблюдаемая выборка карликовых галактик может не обязательно отражать все население космического рассвета. Специалисты планируют изучить этот вопрос, повторив наблюдения через другую гравитационную линзу — галактическое скопление Abell S1063. Это позволит изучить более крупные популяции слабых галактик.
