Крохотные искры, зажёгшие Вселенную ✛ ✦
Тринадцать миллиардов лет назад, спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, мироздание погрузилось в беспроглядный мрак. Космос, продолжая расширяться, был заполнен нейтральным водородом — холодным и непрозрачным для ультрафиолета. В эти тёмные века первые звёзды и галактики стали подобны искрам, упавшим в сырой порох. Их жёсткое излучение, словно эхо грозы в океане, начало расщеплять атомы, ионизуя межгалактическую среду. Процесс, названный реионизацией, завершил последний глобальный фазовый переход в истории Вселенной. И долго оставалось загадкой: кто же главный «зажигатель»?
Судьбоносный ответ дал космический телескоп «Джеймс Уэбб». Скопление Abell 2744 сработало как гравитационная линза, усилив свет далёких источников. Сверхглубокая фотометрия в фильтре F410M выхватила из тьмы крохотные, но невероятно активные объекты на z≈7. Их выдаёт колоссальный избыток эмиссии в линиях [OIII] и Hβ: эквивалентная ширина у многих превышает 740 Å. Это как если бы галактика превратилась в один яркий всплеск — её непрерывный спектр почти незаметен за огненными пиками.
Детальная спектроскопия с прибором NIRSpec подтвердила: эти галактики практически лишены космической пыли, а их металличность — лишь 1–10% солнечной. Декременты Бальмера указывают на рекомбинацию без пылевого поглощения — чистое, незамутнённое звёздообразование. Проинтегрировав функцию светимости таких объектов, учёные получили ошеломляющую скорость генерации ионизующих фотонов: log(ṅ_ion/с⁻¹·Мпк⁻³)=50.63±0.05. Сравнение с ультрафиолетовой функцией светимости показало, что мощные [OIII]+Hβ-эмиттеры составляют больше половины всех UV-отобранных галактик на z~7 и обеспечивают около 60% плотности ультрафиолета. В пересчёте на бюджет реионизации это почти 70% необходимых фотонов. Остальное добирают источники послабее.
Эта работа элегантно разрешает так называемый кризис бюджета фотонов. Ещё недавно казалось, что известных популяций галактик недостаточно, дабы ионизовать Вселенную к z≈6, и приходилось привлекать гипотетические объекты — первичные чёрные дыры или распадающиеся частицы тёмной материи. Теперь выяснилось: обычные, пусть и карликовые, галактики с бурным звездообразованием отлично справляются сами. Эдвин Хаббл, первым доказавший расширение, оценил бы иронию: чем дальше мы заглядываем, тем более «нормальными» оказываются процессы. А измерения реликтового излучения спутником Planck — за которые Арно Пензиас с коллегой получили Нобелевскую премию — идеально стыкуются с этими наблюдательными данными.
Впереди — ещё более глубокие обзоры JWST на других линзирующих скоплениях, а также масштабные эксперименты по 21-сантиметровой линии нейтрального водорода (SKA, HERA). Они покажут, сохраняется ли высокая эффективность ионизации у самых слабых галактик. Но уже ясно: эпоха реионизации была царством крохотных, невероятно трудолюбивых космических огнив. Они не только зажгли свет, но и заложили фундамент для рождения крупных структур. Кстати, тяжёлые элементы, из которых сложены наши тела, выплавлялись именно в таких звёздных колыбелях. Так что, глядя на далёкие искры в бездонной черноте, мы смотрим на собственное прошлое.
У рекордсменов эквивалентная ширина линий [OIII]+Hβ перешагивает 1000 Å — представьте галактику, которая в ближнем инфракрасном почти целиком состоит из света считанных эмиссионных линий, а её звёздный фон едва тлеет.
Точно монолит из «Космической одиссеи 2001 года», который пробудил разум, — только здесь мириады крохотных галактических огоньков своим излучением вывели Вселенную из тьмы.