Kaip ultravioletinė šviesa iš pirmųjų žvaigždžių ir galaktikų vėl jonizavo vandenilį, paversdama Visatą skaidria
Kosminėje istorijoje rejonizacija žymi Tamsiųjų amžių pabaigą – laikotarpį po rekombinacijos, kai Visata buvo užpildyta neutraliais vandenilio atomais, o ryškių šaltinių (žvaigždžių, galaktikų) dar nebuvo. Kai ėmė švytėti pirmosios žvaigždės, galaktikos ir kvazarai, jų aukštos energijos (daugiausia ultravioletiniai) fotonai jonizavo aplinkinį vandenilio dujų debesį, paversdami neutralią tarpgalaktinę terpę (IGM) stipriai jonizuota plazma. Šis reiškinys, vadinamas kosmine rejonizacija, gerokai pakeitė didelio masto Visatos skaidrumą ir parengė sceną mūsų pažįstamai, šviesos pripildytai Visatai.
Šiame straipsnyje aptarsime:
- Neutralią Visatą po rekombinacijos
- Pirmąją šviesą: III populiacijos žvaigždes, ankstyvąsias galaktikas ir kvazarus
- Jonizacijos procesą ir burbulų formavimąsi
- Laiko eigą ir stebėjimų įrodymus
- Neatsakytus klausimus ir dabartinius tyrimus
- Rejonizacijos svarbą šiuolaikinėje kosmologijoje
2. Neutrali Visata po rekombinacijos
2.1 Tamsieji amžiai
Maždaug nuo 380 000 metų po Didžiojo sprogimo (kai įvyko rekombinacija) iki pirmųjų šviesos šaltinių susidarymo (maždaug po 100–200 mln. metų) Visata didžiąja dalimi buvo neutrali, sudaryta iš vandenilio ir helio, likusių nuo Didžiojo sprogimo nukleosintezės. Šis laikotarpis vadinamas Tamsiaisiais amžiais, nes be žvaigždžių ar galaktikų nebuvo reikšmingų naujų šviesos šaltinių, išskyrus vėstantį kosminį mikrobangų foną (KMF).
2.2 Neutralaus vandenilio dominavimas
Tamsiųjų amžių metu tarpgalaktinė terpė (IGM) buvo beveik vien neutralus vandenilis (H I), kuris puikiai sugeria ultravioletinius fotonus. Kai materija ėmė telktis į tamsiosios materijos halus ir senoviniai dujų debesys subliuško, susiformavo pirmosios III populiacijos žvaigždės. Gausūs jų spinduliuotės srautai vėliau esmingai pakeitė IGM būseną.
3. Pirmoji šviesa: III populiacijos žvaigždės, ankstyvosios galaktikos ir kvazarai
3.1 III populiacijos žvaigždės
Teoriškai numatoma, kad pirmosios žvaigždės – III populiacijos žvaigždės – neturėjo metalų (buvo sudarytos beveik tik iš vandenilio ir helio) ir tikriausiai buvo labai masyvios, gal net dešimčių ar šimtų Saulės masių. Jos žymėjo Tamsiųjų amžių pabaigą, dažnai vadinamą Kosmine aušra. Šios žvaigždės skleidė gausią ultravioletinę (UV) spinduliuotę, galinčią jonizuoti vandenilį.
3.2 Ankstyvosios galaktikos
Struktūrų formavimuisi vykstant hierarchiškai, nedideli tamsiosios materijos halai jungėsi, sudarydami stambesnius, iš kurių formavosi pirmosios galaktikos. Juose susikūrė II populiacijos žvaigždės, kurios dar labiau didino UV fotonų srautą. Ilgainiui šios galaktikos – ne vien III populiacijos žvaigždės – tapo pagrindiniu jonizuojančios spinduliuotės šaltiniu.
3.3 Kvazarai ir AGN
Aukšto raudonojo poslinkio kvazarai (supermasyvių juodųjų skylių maitinami aktyvūs galaktikų branduoliai) taip pat prisidėjo prie rejonizacijos, ypač helio (He II) atžvilgiu. Nors jų poveikis vandenilio rejonizacijai vis dar diskutuotinas, manoma, kad kvazarų svarba ypač išaugo kiek vėlesniais laikotarpiais, pavyzdžiui, rejonizuojant helį ties z ~ 3.
4. Jonizacijos procesas ir burbulai
4.1 Lokaliniai jonizacijos burbulai
Kiekvienai naujai žvaigždei ar galaktikai pradėjus skleisti aukštos energijos fotonus, šie fotonai sklido į išorę, jonizuodami aplinkinį vandenilį. Taip susidarydavo izoliuoti „burbulai“ (arba H II sritys) jonizuoto vandenilio aplink šaltinius. Pradžioje šie burbulai buvo vieniši ir gana maži.
4.2 Sąveika tarp burbulų
Augant naujų šaltinių skaičiui bei jų šviesumui, šie jonizuoti burbulai plėtėsi ir sujungėsi. Kadaise neutralus IGM virto visų pirma neutralios ir jonizuotos terpės lopiniu. Kai rejonizacijos epocha artėjo prie pabaigos, H II sritys susiliejo ir liko dauguma Visatos vandenilio jonizuoto (H II), o ne neutralaus (H I).
4.3 Rejonizacijos laiko skalė
Manoma, kad rejonizacija truko kelis šimtus milijonų metų, apimdama raudonuosius poslinkius nuo maždaug z ~ 10 iki z ~ 6. Nors tikslios datos tebėra tyrimų objektas, ties z ≈ 5–6 didžioji dalis IGM buvo jau jonizuota.
5. Laiko eiga ir stebėjimų įrodymai
5.1 Gunn–Peterson efektas
Svarbus rejonizacijos rodiklis – vadinamasis Gunn–Peterson testas, tiriantis tolimų kvazarų spektrus. Neutralus vandenilis IGM gerai sugeria fotonus tam tikrose bangose (ypač Lyman-α linijoje), todėl kvazaro spektre atsiranda sugerties ruožas. Stebėjimai rodo, kad prie z > 6 šis Gunn–Peterson efektas tampa stiprus, rodydamas gerokai didesnę neutralaus vandenilio dalį bei pabrėždamas rejonizacijos pabaigą [1].
5.2 Kosminis mikrobangų fonas (KMF) ir poliarizacija
KMF matavimai taip pat leidžia gauti užuominų. Laisvieji elektronai iš rejonizuotos terpės sklaido KMF fotonus, palikdami didelių kampinių mastelių poliarizacijos pėdsaką. Duomenys iš WMAP ir Planck apriboja vidutinį rejonizacijos laiką ir trukmę [2]. Matavus optinį storį τ (sklaidymo tikimybę), kosmologai gali nustatyti, kada didžioji Visatos vandenilio dalis tapo jonizuota.
5.3 Lyman-α spinduoliai
Galaktikų, kurios išskiria stiprią Lyman-α liniją, stebėjimai (vad. Lyman-α spinduoliai) taip pat duoda informacijos apie rejonizaciją. Neutralus vandenilis lengvai sugeria Lyman-α fotonus, tad šių galaktikų aptikimas esant aukštiems raudoniesiems poslinkiams rodo, kiek skaidrus buvo IGM.
6. Neatsakyti klausimai ir dabartiniai tyrimai
6.1 Skirtingų šaltinių indėlio santykis
Vienas esminių klausimų – skirtingų jonizuojančių šaltinių įnašo santykis. Nors aišku, kad anksčiausios galaktikos (dėl jose susidariusių masyvių žvaigždžių) buvo svarbios, kiek prie rejonizacijos prisidėjo III populiacijos žvaigždės, įprastos žvaigždžių turinčios galaktikos ir kvazarai – tebėra diskusijų objektas.
6.2 Blankios galaktikos
Naujausi duomenys leidžia manyti, kad nemažą dalį jonizuojančių fotonų galėjo skirti silpnos, menkai stebimos galaktikos, kurias sunku aptikti. Jų vaidmuo galėjo būti esminis baigiant rejonizaciją.
6.3 21 cm kosmologija
Stebėjimai 21 cm vandenilio linijos atveria galimybę tiesiogiai tyrinėti rejonizacijos epochą. Tokie eksperimentai kaip LOFAR, MWA, HERA ir būsimoji Square Kilometre Array (SKA) siekia žemėlapiuose atvaizduoti neutralaus vandenilio pasiskirstymą, parodant, kaip jonizuoti burbulai kito rejonizacijos metu [3].
7. Rejonizacijos svarba šiuolaikinėje kosmologijoje
7.1 Galaktikų formavimasis ir raida
Rejonizacija veikė, kaip materija gali trauktis į struktūras. Kai IGM tapo jonizuota, aukštesnė temperatūra apsunkino dujų kolapsą į smulkius halus. Todėl norint suprasti galaktikų hierarchinę plėtrą, būtina įvertinti rejonizacijos poveikį.
7.2 Grįžtamasis ryšys
Rejonizacija nėra vienakryptė: dujų jonizavimas ir įkaitinimas stabdo vėlesnį žvaigždžių formavimąsi. Karštesnė, jonizuota terpė blogiau kolapsuoja, taigi fotojonizacijos grįžtamasis ryšys gali slopinti mažiausių halų žvaigždėdarą.
7.3 Astrofizikos ir dalelių fizikos modelių tikrinimas
Lygindami rejonizacijos duomenis su teoriniais modeliais, mokslininkai gali patikrinti:
- Pirmųjų žvaigždžių (III populiacijos) ir ankstyvųjų galaktikų savybes.
- Tamsiosios materijos vaidmenį ir jos smulkaus mastelio struktūrą.
- Kosmologinių modelių (pvz., ΛCDM) tikslumą, galimus pataisymus ar alternatyvias teorijas.
8. Išvada
Rejonizacija papildo Visatos istoriją – nuo neutralios, tamsios pradinės būsenos iki šviesos pripildytos, jonizuotos tarpgalaktinės terpės. Šį procesą paskatino pirmosios žvaigždės ir galaktikos, o jų ultravioletinė šviesa palaipsniui jonizavo vandenilį visame kosmose (tarp z ≈ 10 ir z ≈ 6). Stebėjimų duomenys – nuo kvazarų spektrų, Lyman-α linijų, KMF poliarizacijos iki naujausių 21 cm linijos stebėjimų – vis tiksliau atkuria šią epochą.
Visgi išlieka daug esminių klausimų: Kas buvo pagrindiniai rejonizacijos šaltiniai? Kokia buvo tiksli jonizuotų regionų raida ir struktūra? Kaip rejonizacija veikė tolimesnį galaktikų formavimąsi? Nauji ir būsimi tyrimai žada suteikti gilesnį supratimą, išryškindami, kaip astrofizika ir kosmologija susipynė, kad sukurtų vieną didžiausių ankstyvos Visatos virsmų.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
- Gunn, J. E., & Peterson, B. A. (1965). “On the Density of Neutral Hydrogen in Intergalactic Space.” The Astrophysical Journal, 142, 1633–1641.
- Planck Collaboration. (2016). “Planck 2016 Intermediate Results. XLVII. Planck Constraints on Reionization History.” Astronomy & Astrophysics, 596, A108.
- Furlanetto, S. R., Oh, S. P., & Briggs, F. H. (2006). “Cosmology at Low Frequencies: The 21 cm Transition and the High-Redshift Universe.” Physics Reports, 433, 181–301.
- Barkana, R., & Loeb, A. (2001). “In the Beginning: The First Sources of Light and the Reionization of the Universe.” Physics Reports, 349, 125–238.
- Fan, X., Carilli, C. L., & Keating, B. (2006). “Observational Constraints on Cosmic Reionization.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 44, 415–462.
Remdamiesi šiais svarbiais stebėjimais ir teoriniais modeliais, regime rejonizaciją kaip išskirtinį įvykį, nutraukusį Tamsiuosius amžius ir atvėrusį kelią įspūdingoms kosminėms struktūroms, matomoms naktiniame danguje, kartu suteikdamas neįkainojamą galimybę tyrinėti ankstyvuosius Visatos šviesos momentus.