Астрономы обнаружили, что данные Уэбба противоречат моделям реионизации
Моделирование галактик, ионизующих водородный газ (яркие области) в эпоху реионизации. Автор: M. Alvarez, R. Kaehler, and T. Abel / European Southern Observatory (ESO).
Реионизация — критический период, когда первые звезды и галактики изменили физическую структуру своего окружения, а в конечном итоге и всей Вселенной. Устоявшиеся теории утверждают, что эта эпоха закончилась примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Однако, если бы этот рубеж был рассчитан с использованием наблюдений с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), реионизация закончилась бы по крайней мере на 350 миллионов лет раньше, чем ожидалось. Таковы данные новой статьи , опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.
На протяжении всей своей истории Вселенная претерпела несколько крупных изменений. В течение первых 380 000 лет после Большого взрыва она представляла собой горячую, плотную плазму протонов и электронов. В конце концов, все остыло достаточно, чтобы эти протоны и электроны объединились и образовали нейтральные атомы водорода. Затем, примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва, начали формироваться первые звезды и галактики, положив начало эпохе реионизации.
Те первые звезды были огромными и горячими — некоторые предсказывали, что они были в 30-300 раз массивнее нашего Солнца — и они излучали много энергии в форме экстремального ультрафиолетового света. Эта энергия была настолько интенсивной, что, когда она ударяла о близлежащие атомы водорода, она расщепляла их на протоны и электроны в процессе, называемом ионизацией. Спустя сотни миллионов лет, когда почти весь водород во Вселенной стал ионизированным, эпоха реионизации закончилась.
Учитывая, что примерно 75% всей материи — это водород, это представляет собой колоссальную трансформацию. «Это последнее крупное изменение, которое должно произойти», — объяснил Джулиан Муньос, доцент кафедры астрономии Техасского университета в Остине и ведущий автор статьи. «Вы перешли от нейтрального, холодного и скучного к ионизированному и горячему. И это произошло не только с одной или двумя галактиками. Это произошло со всей Вселенной».
«Этот процесс нагревал и ионизировал газ во Вселенной, что регулировало скорость роста и эволюции галактик», — добавил Джон Чисхолм, доцент кафедры астрономии в Техасском университете в Остине и соавтор статьи. «Эти ранние звезды создали общую структуру галактик во Вселенной».
Поскольку астрономы не могут наблюдать процесс реионизации напрямую, они должны использовать модели, чтобы предсказать, когда он закончится. Эти модели основаны на косвенных доказательствах, включая измерения того, сколько света дошло до нас от послесвечения Большого взрыва, называемого космическим микроволновым фоном.
Другим доказательством является раннее обилие длины волны, связанной с изменениями энергии в водороде, называемой лесом Лаймана-альфа. Оба они помогают астрономам вычислить, сколько водорода было преобразовано во время реионизации, и, соответственно, сколько энергии потребовалось для этого.
«Это игра в бухгалтерию», — сказал Муньос. «Мы знаем, что весь водород был нейтральным до реионизации. С этого момента вам нужно достаточно сильного ультрафиолета, чтобы разделить каждый атом. Так что в конце дня вы можете провести математические расчеты, чтобы выяснить, когда реионизация закончилась».
Теперь космический телескоп Джеймса Уэбба бросает вызов устоявшимся моделям. С его помощью астрономы могут заглянуть в космос дальше, чем когда-либо прежде, глубоко в эту критическую эпоху. Это приводит ко многим неожиданным наблюдениям в ранней Вселенной, одним из которых является большее, чем ожидалось, количество галактик, излучающих экстремальный ультрафиолет. «JWST показал, что ярких галактик достаточно, чтобы ионизировать Вселенную самостоятельно», — сказал Чисхолм. «Это противоречит тому, чего ожидали многие люди».
Итак, с этими новыми наблюдениями, подсчет теперь неверный. «Если бы вы слепо доверяли Джеймсу Уэббу, он бы сказал вам, что реионизация закончилась через 550–650 миллионов лет после Большого взрыва, а не через 1 миллиард лет, как сейчас оценивают», — объяснил Муньос. «Если бы это было правдой, космический микроволновый фон выглядел бы иначе, и лес Лайман-альфа выглядел бы иначе. Так что есть напряжение».
Другими словами, маловероятно, что реионизация произошла на сотни миллионов лет раньше, чем предсказывалось. Так что же происходит? Одним из объяснений может быть то, что в устоявшихся моделях отсутствует некоторая ключевая информация. Например, иногда ионизированные протоны и электроны объединяются, чтобы заново сформировать нейтральные атомы водорода. Этот процесс называется рекомбинацией. Если бы это происходило чаще, чем предполагают современные модели, это могло бы увеличить количество экстремального ультрафиолетового света, необходимого для ионизации всей вселенной.
«Нам нужны более подробные и глубокие наблюдения галактик и лучшее понимание процесса рекомбинации», — сказал Муньос. «Разрешение этого напряжения по поводу реионизации — ключевой шаг к окончательному пониманию этого поворотного периода. Я с нетерпением жду, что принесут нам ближайшие годы».
Другими авторами исследования являются Джордан Мироча из Лаборатории реактивного движения НАСА и Калифорнийского технологического института; Стивен Фурланетто из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; и Шарлотта Мейсон из Копенгагенского университета.
Больше информации: Julian B Muñoz et al, Reionization after JWST: a photon budget crisis?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters (2024). DOI: 10.1093/mnrasl/slae086
Источник: University of Texas at Austin
0 комментариев