После Большого взрыва свет не спешил "отделяться от тьмы"
Космические "темные века" длились более миллиарда лет
Во времена одного из самых ранних периодов своей истории Вселенная была почти вся сплошь "затянута туманом" из атомов водорода и гелия. Даже яркое ультрафиолетовое излучение самых первых звезд в новорожденных галактиках не могло пробиться через эту всепоглощающую завесу из газа, что дало астрономам повод назвать эту космическую эру "темными веками" ("Dark Ages"). Только по прошествии сотен миллионов лет первородные звезды смогли постепенно разогреть и ионизировать окружающий газ, преобразовав непроницаемый океан космоса в современное прозрачное космическое пространство. Без этой метаморфозы никакой телескоп не смог бы увидеть даже ультрафиолетовые лучи, испускаемые источниками вне нашей собственной Галактики. Все наше знание ультрафиолетовых источников было бы ограничено Млечным путем.
Точное определение того момента, когда свершилось это преобразование, своего рода "отделение тьмы от света", называемое также повторной ионизацией (re-ionization), и выяснение его конкретных причин должно в перспективе привести к пониманию важнейших процессов формирования первых галактик в юной Вселенной. В своей новой теоретической работе, опубликованной 26 февраля 2004 года в журнале Nature (она доступна по адресу xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0401188), Стюарт Уайз (J. Stuart Wyithe) из Мельбурнского университета (University of Melbourne) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) из Гарвард-Смитсонианского астрофизического центра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), показывают, что космические "темные века" продолжались в течение не менее миллиарда лет, то есть свой первый миллиард лет Вселенная просуществовала практически нейтральной.
Большой взрыв создал Вселенную, заполненную горячим ионизированным водородом и гелием. Спустя приблизительно 380 тысяч лет Вселенная расширилась и охладилась до такой степени, что электроны и атомные ядра смогли воссоединиться (это называется процессом рекомбинации), что привело к формированию нейтрального водорода, атомов гелия и к поглощению ультрафиолета. Однако переход от темноты к прозрачному космосу сопровождался новой ионизацией газа, заполняющего Вселенную, то есть разделением его на электроны и отдельные ядра.
"Простая модель быстрой и полной ионизации, опирающаяся на данные от спутника WMAP - Wilkinson Microwave Anistropy Probe (Зонд для исследования микроволновой анизотропии имени Дэвида Вилкайнсона) подразумевает, что переионизация произошла спустя примерно 200 миллионов лет после Большого взрыва, что приблизительно соответствует коэффициенту красного смещения 17. Однако фактически процесс переионизации не мог быть мгновенным и полным. Все происходило гораздо сложнее", - говорит Уайз.
Красное смещение - увеличение длины световых волн от отдаленных объектов, вызванное расширением Вселенной (эффект Доплера). Этот эффект заставляет космические источники казаться более красными, чем они есть на самом деле. Чем больше коэффициент красного смещения, тем, соответственно сильнее удален источник света.
Поспорить с данными от авторитетнейшего спутника Уайза и Лёба заставило изучение квазаров - очень отдаленных и очень ярких объектов, которые видны на расстояниях в миллиарды световых лет. Их мощнейшее излучение позволяет использовать квазары в качестве космических прожекторов, освещающих не только их непосредственные окрестности, но и всю протяженность пространства между квазаром и Землей. Согласно современным представлениям, в центре каждого квазара расположена сверхмассивная черная дыра, постепенно поглощающая окружающую материю. Это вещество, по спирали падая на черную дыру, часть своей гравитационной энергии отдает (излучает) в виде видимого света и прочей радиации.
Ультрафиолетовые лучи от такого квазара ионизируют газ в окружающей межгалактической среде. Хотя общее число ярких квазаров в ранней Вселенной не было достаточным для того, чтобы провести полную переионизацию, каждый из них был достаточно мощен для того, чтобы сформировать локальный "пузырь" ионизированного газа. Размеры такого "пузыря" зависят от свойств окружающего газа. Если близлежащая межгалактическая среда главным образом нейтральна, то квазару будет сложнее полностью ионизировать газ, и он может создать только маленький "пузырь". А окружающая межгалактическая среда, которая уже в основном ионизированна, потребует от квазара меньших "усилий", и он будет способен "выдуть пузырь" большего размера.
Чтобы вычислить долю нейтрального водорода в ранней Вселенной, Уайз и Лёб использовали два самых отдаленных из известных квазаров, один из которых имеет красное смещение z~6,3, а другой - z~6,4, что соответствует расстояниям приблизительно в 13 миллиардов световых лет. Ученые вычисляли ожидаемый размер ионизированного "пузыря" вокруг каждого квазара, приняв разумные значения для коэффициента эмиссии ионизирующих фотонов и времени жизни квазаров, затем сравнивали свои предсказания с наблюдаемыми значениями.
"Наблюдаемые размеры "пузырей" были очень малы, следовательно, доля нейтрального водорода в окружающем пространстве достаточно велика, речь о десятках процентов (предыдущий предел - 0,1 %). Таким образом, даже спустя один миллиард лет после Большого взрыва, когда переионизация, согласно WMAP, должна была уже давно произойти, большая часть межгалактической среды все еще была нейтральна", - говорит Уайз.
Выкладки Уайза и Лёба дают понять, что процесс формирования звездных систем был весьма непростым. В то время как процесс переионизации, вероятно, начался с рождением первых звезд спустя приблизительно 100 миллионов лет после Большого взрыва, для полной переионизации потребовалось значительное время. То есть период частичной переионизации длился во Вселенной в течение миллиардов лет.
Возможно даже, что переионизация протекала в ходе двух различных фаз, связанных с первым и вторым поколениями звезд. "Первые звезды были очень горячими, потому что они сформировались из древнего газа, оставшегося от Большого взрыва. Но когда внутри этих первых звезд были синтезированы начальные порции тяжелых химических элементов ("металлов", по выражению астрофизиков) и рассеялись по окружающему космосу в результате взрывов сверхновых, то стали рождаться и "вторичные" звезды, "вылепленные" из обогащенного "металлами" газа, и они оказались существенно "прохладнее" и были менее эффективны в процессе ионизации Вселенной, - говорит Лёб. - Судя по всему, межгалактическая среда стала полностью ионизированной, то есть такой, какой мы видим ее сегодня, только после весьма длительных усилий звезд уже второй генерации". То есть эти данные, кроме всего прочего, предполагают существование второго пика в истории ионизации.
Источник:
Cosmic Dark Ages Lasted For More Than A Billion Years - Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics - Press Release
НА ПРАВАХ РЕКЛАМЫ:
13 марта 2004 года состоится встреча
выпускников 1994 года Физического факультета МГУ. Чтобы зарегистрироваться и
узнать подробности, просьба зайти на сайт phys.web.ru/fizfak94/.
Обсудить
Статьи по теме
После Большого взрыва свет не спешил "отделяться от тьмы"
Во времена одного из самых ранних периодов своей истории Вселенная была почти вся сплошь "затянута" туманом из атомов водорода и гелия. Даже яркое ультрафиолетовое излучение самых первых звезд в новорожденных галактиках не могло пробиться через эту всепоглощающую завесу из газа, что дало астрономам повод назвать эту космическую эру "темными веками". Только по прошествии сотен миллионов лет первородные звезды смогли постепенно разогреть и ионизировать окружающий газ, преобразовав непроницаемый океан космоса в современное прозрачное космическое пространство. Возможно даже, что переионизация протекала в ходе двух различных фаз, связанных с первым и вторым поколениями звезд.
"Хаббл" и пара телескопов "Кек" нашли галактику, знаменующую конец "темных веков"
Международная группа астрономов обнаружила новую "рекордную" по удаленности от нас галактику во Вселенной. Расположенная приблизительно в 13 млрд световых лет от Земли, она выглядит такой, какой была спустя всего лишь 750 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенной исполнилось только 5 % от ее нынешнего возраста. "Ископаемая" галактика была идентифицирована объединенными усилиями космического телескопа "Хаббл" и пары телескопов Кек на Гавайях. Кроме земной и околоземной техники астрономам на помощь также пришел эффект естественной "космической гравитационной линзы", которая усилила яркость отдаленного объекта.
Гравитационная линза показывает сердце отдаленной галактики
В настоящее время известно уже множество примеров наблюдений галактик, действующих подобно "гравитационным линзам". Лучи света, проходя рядом с ними, отклоняются мощным гравитационным полем. За счет такого "линзирования" на небе появляется несколько дополнительных видимых изображений какого-нибудь отдаленного объекта, расположенного за такой галактикой - например, это может быть яркий квазар. Теперь астрофизики раскрыли важную тайну, связанную с этим феноменом.
Теория "холодного темного вещества" получила экспериментальное подтверждение
Канадским астрономам из Университета Торонто удалось измерить протяженность и определить форму массивных невидимых галактических ореолов, состоящих, согласно современным теориям, из темного вещества. Выяснилось, что размеры таких ореолов могут в 5-8 раз превышать видимые размеры галактик (то есть светящееся вещество - звезды). Ученые использовали в своих целях эффект, называемый "гравитационным линзированием".
Темная энергия уходит в тень: получено новое свидетельство существования антигравитации
Астрономы Слоановского цифрового обзора неба объявили о получении еще одного независимого свидетельства существования таинственной темной энергии. Исследователи нашли своеобразный отпечаток темной энергии (или, как они называют это явление, "тень" темной энергии) путем изучения корреляций между изображениями миллионов галактик, полученных в ходе реализации программы SDSS, и картой распределения вариаций температуры реликтового излучения, "нарисованной" зондом WMAP.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Столкновение двух безумных гигантских колес на скорости 10 млн км в час
На этой выразительной фотографии, полученной с помощью космического телескопа "Хаббл", запечатлена пыльная спиральная галактика, которая, вращаясь, проходит через другую большую яркую галактику NGC 1275. Рентгеновское и радиоизлучение с большой вероятностью указывают на наличие черной дыры в центре этой яркой галактики. NGC 1275 находится от нас на расстоянии примерно 235 млн световых лет в созвездии Персея.
Найден новый спутник Млечного пути на "неправильной" орбите
Новые наблюдения, выполненные на гигантском радиотелескопе GBT, показали: то, что раньше считалось межгалактическим облаком, находящимся на неизвестном расстоянии, на самом деле - спутниковая галактика Млечного пути, которая обращается по орбите вокруг Галактического центра в направлении, противоположном большинству остальных галактических спутников.
Галактика M64 "сглазила" своего компаньона
В результате столкновения двух галактик родилась новая звездная система с необычным внешним видом и причудливой внутренней системой движения звездного вещества, эта особенность сама по себе является причиной яростного звездообразования. Прекрасно прорисованные детали темной зоны можно рассмотреть на этой фотографии центральной части M64, полученной с помощью космического телескопа "Хаббл".
Ранняя Вселенная: впервые удалось определить размеры реликтовых галактик
Астрономы Израиля и США нашли первое прямое подтверждение тому, что по крайней мере некоторые галактики размером с Млечный путь уже успели сформироваться, когда Вселенной от роду было меньше миллиарда лет. На иллюстрации - смоделированная структура ранней Вселенной. Первые галактики размером с Млечный путь выглядят как яркие пятна в вершинах этих своеобразных галактических нитей.
В ранней Вселенной все звезды были лишены планет
Новые исследования показали, что первые звезды солнечного типа были всего лишь одинокими плазменными шарами, двигающимися по Вселенной, лишенной планет и уж тем более жизни. Эти звезды рождались, развивались и погибали в условиях бесплодной, безжизненной изоляции, однако со временем они помогли Вселенной измениться, они ответственны за синтез тяжелых элементов вроде углерода и кислорода, которые в конечном счете и привели к появлению первых планет, подобных нашей Земле.
Земля сеет семена жизни в космосе
Микроорганизмы могут передвигаться по космосу на частицах пыли, "толкаемых" лучами Солнца. Вероятность того, что некоторые из них попадут на какую-нибудь подобную Земле планету, весьма высока. Аналогично, подобный процесс может объяснить, откуда на Земле изначально появилась жизнь. Если "механизм выброса" обычен среди других планетных систем, пригодных для жизни, то такая "цепная реакция" может заселить весь галактический диск в течение нескольких миллиардов лет. В этом случае вообще маловероятно, что жизнь зародилась именно на Земле.
Первые звезды не были одиноки: астрономы нашли небывало древнюю планету
Астрономы нашли самую древнюю и самую далекую из всех известных на сегодняшний момент планет. Она движется по орбите вокруг двойной квазизвездной системы в созвездии Скорпиона на расстоянии 5 600 световых лет от Земли. Новое открытие дарит нам надежду, что и в нашей Галактике формирование планет, возможно, началось гораздо раньше, чем о том говорят современные теории, а своими планетными системами при этом обладают едва ли не все звезды.
Гигантская черная дыра поймана на месте преступления
Гигантская черная дыра в галактике RXJ1242-11, что расположена на расстоянии в миллиард световых лет от Земли, была поймана "на месте преступления" - в тот момент, когда она откусила "бочок" у звезды, похожей на наше Солнце, словно это был какой-нибудь межзвездный гамбургер. Такое явление, по словам астрономов, удалось пронаблюдать впервые. Это укрепило ученых во мнении, что черные дыры на протяжении всего времени существования Вселенной то и дело подобным образом пожирают звезды, и это может быть основным способом увеличения их массы.
Черные дыры играют сами c собой в смертельный футбол
Когда сталкиваются сверхмассивные черные дыры, представляющие собой ядра соседних галактик, пространство вокруг них буквально трещит по швам, только держись! Мощнейший всплеск гравитационного излучения сообщает всему миру о том, что эти монстры яростно сливаются в одну еще более массивную черную дыру. "Пинок", который эта система получает в момент столкновения, может даже выбить получившуюся в результате черную дыру вон из родной галактики. Новое исследование описывает последствия такого межгалактического столкновения с точки зрения современной теоретической физики.
Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики быстро вращается
Периодические вспышки в инфракрасном диапазоне в районе этой черной дыры являются свидетельством ее вращения, а новые данные таким образом "возвещают новую эру наблюдательной физики черной дыры и проверки истинности общей теории относительности".
Дыра под космическим Сомбреро
Орбитальный телескоп "Хаббл" обратил свой взор на одну из самых величественных и "фотогеничных" галактик во Вселенной, известную под прозвищем Сомбреро (M104). Отличительный признак этой галактики - светящееся белое выпуклое ядро, окруженное мощными пылевыми зонами.
Гигантская черная дыра из скопления Персея напевает за ужином
Космическая рентгеновская обсерватория "Чандра" помогла увидеть звуковые волны, исходящие из самого сердца галактического скопления Персея от сверхмассивной черной дыры. Астрофизики уверяют, что "вокальные способности" черных дыр позволят им раскрыть некоторые "жгучие" тайны галактических скоплений, например, откуда в их центрах такое количество горячего газа.
Черных дыр рождается все больше и больше
Это открытие подтверждает давние подозрения астрофизиков насчет того, что действие черных дыр, скрытых от нас, обитающих на нашем так сказать космическом "заднем дворе", является едва ли не определяющим для всей структуры общегалактического "дома", это вовсе не какие-то экзотические древние мастодонты, давно отыгравшие свою роль в те времена, когда галактики только начали формироваться.
Вторая черная дыра в центре Млечного пути поставляет своему "боссу" младенцев на завтрак
Американские астрономы предполагают наличие еще одной черной дыры в самом "сердце" нашего Млечного пути, правда, это черная дыра "всего лишь" среднего веса, масса ее в тысячи, а не в миллионы раз превосходит массу нашего Солнца. Занимается эта "новая" черная дыра тем, что притягивает молодые звезды поближе к своему сверхмассивному партнеру. Открытие может помочь объяснить, каким образом этому монстру удалось так "разжиреть".
Найдена пара гигантских черных дыр, обреченных слиться в межгалактическом катаклизме
Ядро галактики NGC 6240 представляет собой систему из двух супермассивных коллапсаров, и в будущем ей грозят серьезные потрясения. Это доказали немецкие астрономы из Института внеземной физики имени Макса Планка с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории "Чандра". Открытие подтверждает теории формирования супермассивных черных дыр.
Доказано существование массивной черной дыры в центре Галактики
Группе германских астрономов удалось показать, что в Галактическом центре расположен один-единственный сверхплотный и сверхмассивный объект - не что иное, как черная дыра. Определенность позволили внести наблюдения за движением звезды, которую исследователи условно обозначили как S2.
Новости по теме
