Первый свет во Вселенной

Почему Вселенная выглядит именно так? Это один из открытых вопросов в астрофизике и физике в целом. В течение своего первого миллиарда лет Вселенная превратилась из беспорядочного супа частиц высокой энергии в более организованное собрание галактик и звезд, однако многие детали этого процесса до сих пор ускользают от нас.

В недавнем исследовании международная группа исследователей проанализировала наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба, сосредоточив внимание на карликовых галактиках ранней Вселенной, и обнаружила, что эти галактики излучают свет с гораздо более высокой интенсивностью, чем ожидалось. Это исследование представляет собой прорыв в нашем понимании первых источников света во Вселенной.

Сразу после Большого взрыва Вселенная подверглась быстрому расширению, достигнув чрезвычайно высоких температур и энергетических уровней: средняя температура частиц во Вселенной составляла около 10^30 градусов Цельсия.

При такой огромной температуре субатомные частицы не могли связываться друг с другом и поэтому были лишены материи, какой мы ее знаем сегодня. Примерно через секунду Вселенная остыла примерно до миллиарда градусов, и субатомные частицы — строительные блоки материи согласно Стандартной модели физики элементарных частиц — были созданы, связаны и образовали протоны и нейтроны.

К тому времени, когда Вселенной исполнилось около двадцати минут, она уже остыла до температуры в сотни тысяч градусов Цельсия. Затем протоны и нейтроны начали связываться с ионами водорода, гелия и лития.

Из-за высокой температуры Вселенной частицы сохраняли очень высокую энергию, поэтому электроны не могли связываться с протонами, образуя стабильные атомы. В результате большая часть Вселенной существовала в состоянии плазмы — среде электрически заряженных частиц, вращающихся вокруг друг друга. Эта плазма блокировала электромагнитное излучение, не позволяя свету свободно распространяться по Вселенной.

В течение следующих 370 000 лет Вселенная продолжала охлаждаться, пока ее температура не достигла примерно 4000 градусов. В этот момент электроны наконец смогли связаться с плазмой, создав нейтральные атомы. На этом этапе высвободилось космическое фоновое излучение, которое дает представление о ранней Вселенной. Это излучение могло распространяться до нас на большие расстояния, поскольку ему не мешало наличие плазмы.

На тот момент, когда Вселенной было около 400 000 лет, она состояла в основном из нейтральных атомов водорода и гелия, равномерно разбросанных по пространству. На сегодняшнем ночном небе не было звезд, галактик или других сложных небесных тел, знакомых нам. В частности, не было источников света и Вселенная была покрыта тьмой.

Лишь примерно 20 миллионов лет спустя, когда Вселенная продолжала расширяться и резко охлаждаться, сформировались древнейшие источники света во Вселенной. Астрофизики, изучающие историю Вселенной, до сих пор не уверены в природе и происхождении этих источников света, когда и как они были созданы.

Преобладающие теории относительно старейших источников света во Вселенной предполагают, что это могут быть массивные черные дыры, массивные галактики или молодые звезды. Комплексная теория, объясняющая образование звезд и галактик в ранней Вселенной, еще не сформулирована, и физики все еще пытаются понять, когда и как во Вселенной появились первые источники света.

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, запущенного в конце 2021 года, исследователи намеревались наблюдать за очень далекими галактиками. Поскольку свет распространяется с конечной скоростью, свету от далеких галактик требуется много времени, чтобы достичь нас. Исследователи сосредоточили свои наблюдения на свете, исходившем из галактик примерно 13 миллиардов лет назад, который теперь достигает телескопа, что позволяет им увидеть процессы, которые происходили в ранней Вселенной.

Эти далекие галактики кажутся нам такими, какими они были миллиарды лет назад, когда они были молодыми галактиками, излучавшими меньше света по сравнению с другими космическими телами. Следовательно, такие далекие галактики трудно наблюдать обычными методами.

Чтобы обойти это, исследователи использовали передовую технику: основанную на общей теории относительности Эйнштейна, которая предполагала, что тяжелые массы могут деформировать пространство и искривлять путь света, проходящего рядом с ними.

Исследователи сосредоточились на галактиках, расположенных за массивным скоплением галактик Abell 2744, которое из-за своей большой массы действует как гравитационная линза, увеличивая и фокусируя свет, идущий из-за него. Это позволило исследователям увеличить количество света, попадающего в телескоп, что способствовало более точным наблюдениям.

Исследователи проанализировали свет, исходящий от карликовых галактик, которые содержат всего около миллиарда звезд. Для сравнения, галактика Млечный Путь, в которой мы живем, содержит сотни миллиардов звезд. Исследователи тщательно проанализировали наблюдения и обнаружили, что эти карликовые галактики излучают излучение в четыре раза сильнее, чем предполагалось ранее.

Более того, эти карликовые галактики были более распространены в ранней Вселенной, чем более крупные галактики. В результате исследователи ожидают, что большинство ранних источников света во Вселенной были галактиками этого типа.

Это исследование является еще одним примером научных достижений, достигнутых с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Хотя результаты заслуживают внимания, исследователи подчеркивают необходимость дальнейших исследований, включая наблюдения за более широкой выборкой галактик, чтобы подтвердить обоснованность своих выводов.