Загадка «космического тумана»: сверхновые не рассеивали, а удерживали свет ранней Вселенной

Туман, скрывавший Вселенную

Таинственная сила, рассеявшая космический туман на заре Вселенной, могла быть не той, что мы думали, — свидетельствует новое исследование. Результаты намекают на то, что астрономам, возможно, придется пересмотреть важный аспект космологической эволюции, который привел к Вселенной, которую мы ясно видим сегодня.

Примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва юная Вселенная наконец остыла достаточно, чтобы образовались атомы — в основном водород. Но эти нейтральные, не имеющие электрического заряда атомы водорода окутали космос туманом, который сделал его непрозрачным для ультрафиолетового света. Затем, после того как зажглись первые звезды и собрались в галактики, вспышки излучения ионизировали нейтральный водород. Это превратило непроницаемый туман атомов в электрически заряженные протоны и электроны, позволив свету беспрепятственно проходить через межзвездное пространство и в конечном счете достигать наших обсерваторий. Это расступание космического занавеса известно как Эпоха реионизации — или, как ее называют исследователи, «последний крупный фазовый переход во Вселенной».

«Мы не знаем точно, какие объекты вызвали реионизацию»

«Мы не знаем точно, какие объекты вызвали реионизацию или как она развивалась, — сказал в заявлении Коди Карр, астроном Мичиганского университета, специализирующийся на эволюции галактик и первый автор нового исследования. — Мы знаем, что она произошла, но у нас нет полных ответов на эти вопросы».

Ранее астрофизики полагали, что этот эффект рассеивания тумана зависел от сверхновых — насильственных взрывов при смерти звезд массой примерно от 8 до 50 масс Солнца.

Но в новом исследовании, опубликованном 15 октября в журнале Nature Astronomy, Карр и его коллеги представили доказательства того, что сверхновые оказывали противоположный эффект: они удерживали так называемые фотоны лаймановского континуума (LyC) — ионизирующего ультрафиолетового излучения, которое рассеивало небесный туман, — вместо того чтобы выпускать их наружу.

«Самое интересное в нашей статье — это наблюдение, что самые сильные источники LyC не имеют быстрых галактических ветров, — сказал Карр Live Science по электронной почте. — Это бросает вызов представлению, что галактикам нужны быстрые ветры, driven by сверхновыми, чтобы обеспечить утечку LyC».

Куда дуют ветры

Исследователи использовали космический телескоп «Хаббл», чтобы наблюдать аналог древней Вселенной в локальном космосе: шесть звездообразующих галактик с ветрами примерно в 3,5 миллиарда световых лет от нас. Эти компактные галактики со вспышками звездообразования обычно меньше 6500 световых лет в диаметре и формируют около 10 солнечных масс звезд в год. Этот темп звездообразования в несколько раз выше, чем у Млечного Пути, который до 20 раз больше.

Спектры галактик — их световые отпечатки — выявили происхождение, химический состав, скорость и направление их звездных ветров, которые были вызваны излучением их новорожденных звезд. Исследователи также описали, как эти процессы менялись по мере того, как массивные молодые звезды эволюционировали и умирали в энергичных сверхновых несколько миллиардов лет спустя, причем возникшие галактические ветры подавляли звездные ветры.

Эти близкие галактики выявили противоинтуитивный двухфазный процесс. В начальной фазе, которая происходила в первые 3 миллиона лет звездообразования, звездные ветры новообразованных массивных звезд прорезали нейтральный газ и пыль галактик со скоростью почти 2000 миль в секунду (3000 километров в секунду). Это позволяло свету LyC покидать галактику и ионизировать нейтральный газ и пыль в межгалактическом пространстве.

Вторая фаза, возникшая примерно через 3 миллиона лет после начала звездообразования, по-видимому, обращала этот процесс вспять. Поскольку O-звезды — самые горячие, голубые и массивные звезды во Вселенной — жили быстро и умирали молодыми, их выброшенные звездные недра добавляли к непрозрачному галактическому газу и пыли, перемешивая их и насыщая массой, что создавало ловушку для света LyC.

Самые старые галактики в этом исследовании — а значит, и те, у которых самые быстрые галактические ветры, порожденные сверхновыми, — позволяли наименьшему количеству ионизирующего излучения покидать свои окрестности.

«В целом наши результаты расходятся с большинством космологических симуляций, которые обычно показывают, что доля утечки LyC достигает пика после запуска ветров, driven by сверхновыми, — объяснил Карр по электронной почте. — Иными словами, сверхновые не drove Эпоху реионизации, но они могли ее ослабить. Интенсивный свет новорожденных звезд теперь кажется наиболее вероятным источником реионизации».

Пересмотр космологической картины

Это открытие затрагивает один из ключевых вопросов современной астрофизики — как именно Вселенная стала прозрачной для света. Если сверхновые не только не помогали, но и мешали реионизации, это означает, что существующие модели эволюции галактик и космологические симуляции нуждаются в пересмотре. В частности, под вопрос ставится роль галактических ветров, которые традиционно считались необходимым условием для выхода ионизирующего излучения.

Новые данные указывают на то, что главным «виновником» реионизации был свет молодых массивных звезд, а не взрывы сверхновых. Это меняет представление о том, как ранние галактики взаимодействовали с межгалактической средой, и может повлиять на интерпретацию наблюдений, которые проводятся с помощью современных телескопов, включая «Джеймс Уэбб».

Дальнейшие исследования, по словам авторов, должны включать дополнительные галактические образцы и наблюдения с более высоким разрешением в других диапазонах длин волн. Возможно, именно они помогут окончательно ответить на вопрос, какие объекты «подняли занавес» и сделали Вселенную видимой.

Источники: Live Science, Nature Astronomy (Carr et al., 2026), данные космического телескопа «Хаббл», заявления Коди Карра (Мичиганский университет).