Вчені дізналися, що увімкнуло світло на зорі часів

Нарешті ми знаємо, що принесло світло темній і безформній порожнечі раннього Всесвіту. Згідно з даними космічних телескопів Хабблса та Джеймса Вебба, джерелами вільно літаючих фотонів на ранньому космічному світанку були малі карликові галактики, які спалахнули до життя, розвіявши туман каламутного водню, який заповнив міжгалактичний простір.

«Це відкриття розкриває вирішальну роль, яку відіграють ультраслабкі галактики в еволюції раннього Всесвіту», — каже астрофізик Ірина Чемеринська з Інституту астрофізики Парижа.

«Вони виробляють іонізуючі фотони, які перетворюють нейтральний водень в іонізовану плазму під час космічної реіонізації. Це підкреслює важливість розуміння маломасових галактик у формуванні історії Всесвіту».

На початку Всесвіту, за кілька хвилин після Великого вибуху, простір був заповнений гарячим щільним туманом іонізованої плазми. Те маленьке світло, яке там було, не пробило б цей туман; фотони просто розсіялися б на вільних електронах, що плавали навколо, фактично зробивши Всесвіт темним.

У міру охолодження Всесвіту приблизно через 300 000 років протони й електрони почали об’єднуватися, утворюючи нейтральний водень (і трохи гелію). Світло з більшою довжиною хвилі могло проникати через це нейтральне середовище, але було дуже мало джерел світла для його створення. Але з цього водню та гелію народилися перші зірки.

Ці перші зірки випромінювали достатньо сильне випромінювання, щоб відшарувати електрони від своїх ядер і повторно іонізувати газ. Однак до цього моменту Всесвіт розширився настільки, що газ був розсіяним і не міг перешкоджати випромінюванню світла. Приблизно через 1 мільярд років після Великого вибуху, кінця періоду, відомого як космічний світанок, Всесвіт був повністю реіонізований. Та-да! Світло горіло.

Але оскільки в космічному світанку так багато мороку, і оскільки він такий тьмяний і далекий у часі та просторі, нам було важко побачити, що там. Вчені вважали, що джерела, відповідальні за більшу частину очищення, мабуть, були потужними – наприклад, величезні чорні діри, чия аккреція виробляє яскраве світло, і великі галактики, що перебувають у стадії зореутворення (дитячі зірки виробляють багато ультрафіолетового світла).

JWST був розроблений, зокрема, щоб заглянути в космічний світанок і спробувати побачити, що там ховається. Він був дуже успішним, розкриваючи всілякі сюрпризи про цей вирішальний час у формуванні нашого Всесвіту. Дивно, але спостереження телескопа тепер показують, що карликові галактики є ключовим гравцем у реіонізації.

Міжнародна група під керівництвом астрофізика Хакіма Атека з Паризького інституту астрофізики звернулася до даних JWST про скупчення галактик під назвою Abell 2744, підтверджених даними Хаббла. Abell 2744 настільки щільний, що простір-час викривляється навколо нього, утворюючи космічну лінзу; будь-яке далеке світло, що йде до нас через цей простір-час, стає збільшеним. Це дозволило дослідникам побачити крихітні карликові галактики поблизу космічної зорі.

Потім вони використали JWST для отримання детальних спектрів цих крихітних галактик. Їхній аналіз показав, що ці карликові галактики не тільки є найпоширенішим типом галактик у ранньому Всесвіті, вони набагато яскравіші, ніж очікувалося. Фактично дослідження команди показує, що карликові галактики перевищують кількість великих галактик у співвідношенні 100 до 1, а їх сукупний вихід у чотири рази перевищує іонізуюче випромінювання, яке зазвичай передбачається для великих галактик.

«Ці космічні електростанції разом випромінюють більше ніж достатньо енергії, щоб виконати роботу», — каже Атек. «Незважаючи на свій крихітний розмір, ці галактики з малою масою є потужними виробниками енергетичного випромінювання, і їх надлишок у цей період настільки значний, що їхній колективний вплив може змінити весь стан Всесвіту».

Це найкращий доказ сили реіонізації, але попереду ще багато роботи. Дослідники подивилися на одну невелику ділянку неба; їм потрібно переконатися, що їхня вибірка є не просто аномальним скупченням карликових галактик, а репрезентативною вибіркою всієї популяції в світанку космосу.

Вони мають намір вивчити більше космічних лінзових областей неба, щоб отримати ширшу вибірку ранніх галактичних популяцій. Але тільки на цьому одному зразку результати неймовірно захоплюючі. Вчені шукали відповіді на реіонізацію стільки часу, скільки ми знаємо про неї. Ми на порозі того, щоб нарешті розвіяти туман.

«З JWST ми вийшли на незвідану територію», — каже астрофізик Темія Нанаяккара з Технологічного університету Свінберна в Австралії. «Ця робота відкриває більше захоплюючих питань, на які ми повинні відповісти, намагаючись скласти схему еволюційної історії наших початків».