Вселенная была теплой до того, как стала яркой

Фото из открытых источников

Итак, сначала происходит Большой взрыв. Всё невероятно горячее и плотное; фотоны летают повсюду, но они постоянно сталкиваются с электронами и ионизированными ядрами. Затем, наконец, примерно через 380 000 лет, космос достаточно остыл для стабилизации атомов. Вселенная стала оптически прозрачной, и все эти фотоны смогли свободно путешествовать миллиарды лет, что позволило нам наблюдать их как реликтовое излучение.

И что потом? Тьма...

Примерно миллиард лет Вселенная практически не производила нового света. Космический водород и гелий продолжали остывать, а их обширные облака ещё не сколлапсировали, образовав первые звёзды. Вселенная оставалась тёмной до появления первых звёзд, которые стали достаточно яркими, чтобы снова ионизировать водород.

Период между рекомбинацией и реионизацией известен как космические тёмные века. Хотя мы знаем о существовании этого периода, у нас нет убедительных наблюдательных свидетельств. Не было ни ярких звёзд, ни облаков остывающей плазмы, ничего, что могло бы излучать тот свет, который мы видим сегодня во Вселенной. Но в то время существовал один тип света, известный как линия 21 см.

Большая часть света, который мы видим каждый день, возникает, когда атомы в возбуждённом состоянии излучают свет, опускаясь в состояние с более низкой энергией. Если все электроны в атоме находятся в своих самых низких энергетических состояниях, то они не могут излучать свет. Во время тёмной космической эпохи нейтральный водород и гелий охладились до своих основных состояний, поэтому их электроны не могли излучать свет. Но оказывается, что нейтральный водород может излучать очень слабый радиосигнал благодаря спиновому взаимодействию между его протоном и электроном. Когда электрон и протон имеют одинаковую ориентацию спинов, существует крошечное количество энергии, которое может высвободиться. Электрон может перевернуть свой спин и высвободить эту энергию. Длина волны испускаемого света составляет около 21 сантиметра, отсюда и название.

Водород, безусловно, самый распространённый элемент во Вселенной, поэтому линия 21 см — отличный способ картографировать распределение материи. А поскольку излучаемый свет имеет определённую длину волны, мы можем использовать такие явления, как доплеровское смещение, чтобы исследовать движение водорода. Именно так мы впервые обнаружили, что вращение галактик указывает на существование тёмной материи.

Для изучения тёмных веков космоса астрономы сосредоточивают внимание на линии 21 см в эпоху реионизации (ЭР). Это период, когда только начинали формироваться первые звёзды и галактики. Сложность наблюдений в этот период заключается в том, что линия 21 см не только слабая, но и сильно смещена в красную область спектра. Лишь недавно у нас появились технологии, позволяющие качественно наблюдать этот период. Несколько новых исследований показали, что поздний период тёмных веков космоса был тёмным, но не холодным.

Команда использовала данные телескопа Murchison Widefield Array в Западной Австралии. Чтобы выделить космологический сигнал из фонового радиошума, они объединили данные, собранные за десятилетие, и определили спектр мощности линий водорода в эпоху реионизации. На основании этого они обнаружили, что водород во Вселенной начал нагреваться примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Он был тёплым ещё до того, как зажглись первые звёзды.

Этот результат интересен, поскольку поднимает вопрос о том, что могло его нагревать. Одна из гипотез заключается в том, что потепление было вызвано рентгеновским излучением ранних чёрных дыр. Независимо от источника, результаты исключают модель «холодного старта» реионизации. Даже в тёмный период космос активно закладывал основу для звёзд и галактик, которые мы видим сегодня.