Если теория Большого взрыва верна, в начале существования Вселенной она была заполнена холодным нейтральным газом, который скрывал свет звезд.
Однако за этими космологическими Темными веками наступила эпоха реионизации, когда первые звезды и галактики начали ионизировать межгалактическое пространство, и Вселенная вновь засияла. И вот, кажется, ученые обнаружили древнюю галактику, чье излучение способствовало этому процессу.
Реионизация Вселенной происходила постепенно, по мере формирования галактик и новых поколений звезд. Ранее считалось, что этот процесс начался примерно через 600-800 миллионов лет после Большого взрыва. Однако изучение древнейших галактик, обнаруженных с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», ставит под сомнение эти датировки. Видимо, процесс начался гораздо раньше.
В поисках древних источников реионизации Вселенной ученые сосредоточили свое внимание на спектральных линиях водорода, особенно на линиях серии Лаймана, а точнее — на линии Лайман-альфа. Под воздействием сильного УФ излучения реликтовых звёзд водород переходит в возбужденное состояние. Возвращаясь в нейтральное состояние, он излучает на линии Лайман-альфа, и это излучение достигает нас.
Межгалактический газ состоит преимущественно из водорода, и когда почти весь водород ионизирован, излучение Лайман-альфа от молекул, переходящих в нейтральное состояние, не поглощается соседними молекулами, а доходит до нас. В контексте древней Вселенной это означает, что первичный источник ионизирующего водород излучения — галактика или звезда — был достаточно мощным, чтобы успешно реионизировать окружающее космическое пространство.
Благодаря орбитальному телескопу «Джеймс Уэбб» астрономы уже обнаружили множество кандидатов в древнейшие галактики. Некоторые из них были подтверждены, и даже найден кислород в их составе. Однако для уверенного выявления линии Лайман-альфа в их сильно смещенном спектре необходимо было использовать несколько методов. И наконец, это удалось.
Астрономы обнаружили в спектре излучения галактики JADES-GS-z13-1-LA, которая находится в созвездии Печи и имеет красное смещение 13.06, так называемую линию Лайман-альфа. Реальное расстояние до этой галактики, учитывая расширение видимой Вселенной, составляет 33.59 миллиардов световых лет.
Согласно теории Большого Взрыва, мы видим эту галактику такой, какой она была примерно 332 миллиона лет назад. Наличие этой линии в спектре галактики, учитывая её сильное рентгеновское излучение, свидетельствует о том, что она активно генерирует ионизирующие фотоны.Результаты этого исследования были опубликованы на сайте nature.
Компьютерное моделирование показало, что JADES-GS-z13-1-LA должна быть наполнена очень молодыми (10-20 миллионов лет) звездами с низким содержанием тяжелых элементов. Эти звезды могли бы быть источником ионизирующего излучения, но только при условии, что большинство из них — сверхмассивные звезды-гипергиганты гипотетического населения III, радиус некоторых таких звезд может быть больше известной нами части Солнечной системы. Однако, судя по спектру галактики, это маловероятно.
Скорее всего, ионизирующее излучение исходит от сверхмассивной черной дыры, активно поглощающей материю в центре галактики. Эффективный радиус JADES-GS-z13-1-LA составляет 114 световых лет, что меньше, чем у других древних галактик. Это свидетельствует о том, что излучение сосредоточено в центре.
По расчетам авторов исследования, галактика образовала вокруг себя «пузырь» ионизированного межгалактического газа радиусом 650 тысяч световых лет. Сейчас не так важно, является ли источником излучения звёзды или активное ядро галактики. Главное — JADES-GS-z13-1-LA является доказательством того, что реионизация Вселенной должна начаться всего через 330 миллионов лет после Большого взрыва. Кстати, ранее астрономы предполагали, что значительную долю реионизирующего Вселенную излучения могли быть «сбежавшие» звезды.