Разреженный горячий газ, который в настоящее время находится между галактиками, так называемая межгалактическая среда, ионизирован. Молодая вселенная зародилась горячей, но затем стала быстро расширяться, позволяя ее главному компоненту - водороду - остывать, образуя при этом нейтральные атомы. Но вот когда и как эти нейтральные атомы снова ионизировались, образуя межгалактическую среду, которую мы видим сегодня? Астрономы предполагают, что эту работу взяло на себя ультрафиолетовое излучение, испускавшееся массивными звездами, когда такие звезды появились и сияли в течение той космической эры, которая по причине упомянутой выше деятельности известна как эра реионизации.
Сделанный «Хабблом» снимок звездообразующей галактики М82. © NASA, ESA and the Hubble Heritage Team; STScI / AURA
Одним из ключевых шагов в реионизации межгалактической среды стал выход ультрафиолетового излучения из галактик в межгалактическую среду, но как этот процесс происходил, астрофизикам еще не совсем понятно. Астрономы знают только то, что он должен был быть очень эффективным, потому что звездный свет смог бы выполнить эту работу только в том случае, если количество радиационного излучения было достаточно велико. Но при этом звездообразующие галактики чрезвычайно богаты плотным молекулярным газом и пылью, и эта пыль тоже поглощает большую часть ультрафиолетового излучения.
А это говорит о том, что необходим был еще один важный источник ионизирующего излучения. Научные предположения включают возможное существование экзотических объектов, таких как слабые квазары, рентгеновские двойные звезды или даже распадающиеся или взаимно гасящие друг друга частицы. Тем не менее, на сегодняшний день имеется крайне мало доказательств того, что некоторые из них могли быть настолько распространены, чтобы выполнять такую работу.
Астрономы Рохан Найду, Сандро Такчелла, Шарлотта Мейсон, Свонак Бозе и Чарли Конрой из CfA осуществили проект, который был призван позволить лучше оценить самый неопределенный (и самый трудный для непосредственного измерения) параметр в этой головоломке: долю выхода ионизирующих фотонов. Они сравнили измерения и модели двух других ключевых процессов: скорости звездообразования в галактиках и количества генерируемых ультрафиолетовых фотонов.
Исследователи задействовали эти процессы, чтобы ограничить количество уходящих фотонов, дабы полученная модель стала научно убедительной. Измерения не противоречат друг другу, но модели все же различаются, поэтому ученые выбирали из двух типов: моделей, в которых доля выхода фотонов в эпоху реионизации постоянна, и моделей, в которых она зависит от скорости звездообразования.
При этом астрономы смогли сделать несколько важных выводов. Доля уходящих фотонов в молодой вселенной (по крайней мере, в ярких галактиках) должна была составлять около 20 процентов, примерно в два раза больше, чем предполагалось ранее. При этом они считают, что это могло происходить потому, что концентрированные области звездообразования могут создавать каналы, через которые как раз и уходит ультрафиолетовый свет. Используя космологическое моделирование, они также обнаружили, что молодая вселенная изменилась с 90 процентов нейтрального газа до десяти процентов нейтрального газа всего за 300 миллионов лет.
И последнее, но не менее важное: участники исследования пришли к выводу, что большая часть реионизации была осуществлена небольшим количеством самых массивных и ярких галактик, которые они называют «олигархами». Предыдущие исследования предполагали, что существовала и существует большая популяция слабых галактик, которые могли бы сделать эту работу. Но новые результаты не позволяют с этим согласиться. Тем более, говорят исследователи, если бы такая популяция действительно существовала, он была бы уже наверняка обнаружена.
