реионизация

# тег · @ автор · ! учёный

Реионизация — последний глобальный переход в истории Вселенной, растянувшийся от красных смещений z ≈ 15 до z ≈ 6 (примерно 400–1000 млн лет после Большого взрыва). Начавшись в полностью нейтральной среде, оставшейся после эпохи рекомбинации (z ~ 1100), процесс был вызван ультрафиолетовым излучением первых источников света — массивных звёзд населения III, карликовых галактик и, возможно, аккрецирующих чёрных дыр. Ионизованные пузыри, разрастаясь и сливаясь, к z ≈ 6 заполнили почти весь объём. Главным свидетельством реионизации служат данные по поляризации реликтового излучения (оптическая толща τ ≈ 0,054) и практически полное поглощение излучения квазаров за красным смещением 6 (эффект Ганна-Петерсона).

История

Современные представления о реионизации опираются на теорию Большого взрыва (Жорж Леметр, 1927) и открытие реликтового излучения (Пензиас и Уилсон, 1965), подтвердившее горячее начало Вселенной. В 2001 г. в данных Слоановского цифрового обзора неба был обнаружен эффект Ганна-Петерсона: в спектрах квазаров с красным смещением больше 6 свет полностью поглощался нейтральным водородом. Это указало, что реионизация завершилась примерно через 1 млрд лет после Большого взрыва.

Как работает

Ультрафиолетовый фотон с энергией больше 13,6 эВ способен выбить электрон из атома водорода. Первые звёзды испускали много таких фотонов. Вокруг каждой галактики образовывалась область ионизованного газа — растущий пузырь. Постепенно пузыри расширялись и сливались, пока не заполнили всю Вселенную, сделав её прозрачной для ультрафиолета.

💡 Телескоп «Джеймс Уэбб» способен видеть самые далёкие галактики, чей свет испущен в эпоху реионизации. Сейчас он находит всё более ранние объекты, отодвигая границу известной нам «тёмной эпохи».

Спустя примерно 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная охладилась достаточно, чтобы протоны и электроны объединились в нейтральный водород. Свет перестал проходить сквозь такой газ — наступила «тёмная эпоха». Затем, сотни миллионов лет спустя, зажглись первые звёзды и галактики. Их ультрафиолетовый свет снова оторвал электроны от атомов водорода, превратив газ обратно в плазму — этот процесс и называют реионизацией. Вселенная вновь стала прозрачной.

История

Как работает

💡 Реионизация стала последним глобальным превращением вещества во Вселенной. С тех пор крупномасштабная структура космоса больше не меняла своего фазового состояния, и Вселенная лишь продолжала расширяться, постепенно ускоряясь.

Космическая реионизация — эпохальный переход межгалактической среды (IGM) из почти полностью нейтрального состояния в ионизованное. Ионизующее излучение поставляли первые галактики и аккрецирующие чёрные дыры. Ключевые фотоны — лайман-континуум (энергия > 13,6 эВ). Важнейший параметр — доля таких фотонов, способных покинуть родительскую галактику (escape fraction). Реионизация была неоднородной: в плотных областях она завершалась позже. Сейчас считается, что основной этап закончился к z ≈ 6. Наблюдения реликтового фона дают независимую оценку: томсоновское рассеяние на свободных электронах создаёт характерный поляризационный сигнал и слегка подавляет анизотропию на малых угловых масштабах. Интегральная оптическая толща τ = ∫ n_e σ_T dr составляет около 0,054.

История

Идея вторичной ионизации Вселенной естественно следует из теории горячего Большого взрыва (Ж. Леметр, 1927) и открытия реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Уилсон, 1965). Переломный наблюдательный результат получен в 2001 г.: в спектрах далёких квазаров (z > 6) из Слоановского обзора обнаружен эффект Ганна-Петерсона — почти полное поглощение из-за нейтрального водорода. Миссии WMAP (2003) и «Планк» (2013) измерили томсоновскую оптическую толщу, уточнив её с 0,17 до ~0,054. «Хаббл», а затем «Джеймс Уэбб» ведут прямой поиск галактик реионизации, постепенно уточняя картину.

Как работает

В основе лежит процесс фотоионизации: H + γ → p + e. Фронт ионизации изначально разрежённый, но по мере роста плотности рекомбинаций переходит в плотный. Глобальная динамика описывается уравнением для доли ионизованного водорода Q: dQ/dt = (ṅ_ion / ⟨n_H⟩) – Q/t_rec, где ṅ_ion — темп излучения ионизующих фотонов, ⟨n_H⟩ — средняя плотность водорода, t_rec — характерное время рекомбинации. Наблюдаемая оптическая толща τ = c σ_T ∫ n_e(z) (1+z)⁻¹ H(z)⁻¹ dz определяет средневзвешенный момент реионизации. Детальную 3D-карту процесса обещает построить радиоастрономия на длине волны 21 см (проекты LOFAR, HERA, Square Kilometre Array).

\tau = \int_{0}^{z_{rec}} \frac{c \sigma_T n_e(z)}{(1+z) H(z)} dz

τ — оптическая толща (безразмерная); c = 3×10⁸ м/с — скорость света; σ_T = 6.65×10⁻²⁹ м² — томсоновское сечение; n_e(z) — концентрация свободных электронов как функция красного смещения; H(z) = H₀√(Ω_m(1+z)³ + Ω_Λ) — параметр Хаббла на красном смещении z, H₀ ≈ 70 км/с/Мпк; z_rec ≈ 1100 — красное смещение рекомбинации.

Открытые проблемы и интересные факты

Определение основных поставщиков ионизующих фотонов: звёздообразующие галактики или аккрецирующие чёрные дыры.; Прямое измерение доли выхода лайман-континуума (escape fraction) на z > 6.; Построение пространственно-временной картины реионизации: когда и как сливались ионизованные пузыри.; Роль гипотетических первых звёзд (населения III) и их начальной функции масс.; Вклад карликовых галактик, слишком тусклых для прямых наблюдений.

Пока нет статей

реионизация

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме