Kas iš tiesų išsklaidė Visatos tamsą? Mokslininkai rado netikėtą atsakymą

Gali būti, kad pagaliau paaiškėjo, kas pirmą kartą „įjungė šviesą“ ankstyvojoje Visatoje, vadinamuoju kosminės aušros laikotarpiu.

Remiantis „Hubble“ ir Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) duomenimis, lemiamą vaidmenį atliko mažos nykštukinės galaktikos: jos sužibo, o jų spinduliuotė padėjo prasklaidyti tarpgalaktinėje erdvėje tvyrojusį neutraliojo vandenilio „rūką“. Tyrimas publikuotas 2024 m. vasarį žurnale „Nature“.

„Šis atradimas atskleidžia itin blankių galaktikų esminį vaidmenį ankstyvosios Visatos raidoje. Jos skleidžia jonizuojančius fotonus, kurie kosminės rejonizacijos metu neutralų vandenilį paverčia jonizuota plazma. Tai parodo, kaip svarbu suprasti mažos masės galaktikų reikšmę formuojant Visatos istoriją“, – teigė astrofizikė Iryna Chemerynska iš „Institut d’Astrophysique de Paris“.

Ankstyviausiuose Visatos etapuose, netrukus po Didžiojo sprogimo, erdvę užpildė karšta, tanki jonizuotos plazmos migla. Šviesa per ją beveik nesklido: fotonai sklaidėsi nuo laisvų elektronų, todėl Visata atrodė tamsi.

Vėliau, Visatai vėstant, maždaug po 300 tūkst. metų protonai ir elektronai ėmė jungtis, susiformavo neutralus vandenilis (taip pat nedidelis kiekis helio). Dauguma šviesos bangos ilgių per šią neutralią terpę galėjo sklisti, tačiau trūko pačių šviesos šaltinių. Vis dėlto iš vandenilio ir helio gimė pirmosios žvaigždės.

Pirmųjų žvaigždžių spinduliuotė buvo pakankamai stipri, kad „nuplėštų“ elektronus nuo atomų branduolių ir vėl jonizuotų dujas. Tuo metu Visata jau buvo smarkiai išsiplėtusi, todėl dujos tapo retos ir nebegalėjo sulaikyti šviesos.

Praėjus maždaug 1 mlrd. metų po Didžiojo sprogimo, kosminės aušros laikotarpis baigėsi: Visata tapo visiškai rejonizuota. Kitaip tariant, „šviesos“ jau degė.

Tačiau šį etapą stebėti itin sunku: kosminė aušra yra ir labai tolima, ir blanki, be to, ją užstoja didelis kiekis tarpinės medžiagos. Dėl to ilgą laiką manyta, kad didžiąją „rūko“ sklaidymo darbo dalį turėjo atlikti ypač galingi šaltiniai – pavyzdžiui, milžiniškos juodosios skylės arba didelės galaktikos, kuriose intensyviai gimsta žvaigždės (o jaunos žvaigždės skleidžia daug ultravioletinės spinduliuotės).

JWST, be kita ko, buvo kuriamas tam, kad galėtų pažvelgti į kosminę aušrą. Teleskopas jau pateikė nemažai netikėtumų apie šį lemiamą Visatos formavimosi laikotarpį. Naujausi stebėjimai rodo, kad pagrindiniai rejonizacijos „žaidėjai“ galėjo būti būtent nykštukinės galaktikos.

Tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama astrofiziko Hakimo Ateko iš „Institut d’Astrophysique de Paris“, analizavo JWST duomenis apie galaktikų spiečių Abell 2744, o išvadas sustiprino „Hubble“ stebėjimais.

Abell 2744 yra labai tankus spiečius, dėl kurio išlinksta erdvėlaikis ir susidaro gravitacinis lęšis: per jį sklindanti tolima šviesa mums atrodo sustiprinta. Tai leido tyrėjams pamatyti itin mažas nykštukines galaktikas, egzistavusias netoli kosminės aušros laikotarpio.

Vėliau, pasitelkę JWST, mokslininkai gavo detalius šių mažų galaktikų spektrus. Analizė parodė, kad jos ne tik yra gausiausias galaktikų tipas ankstyvojoje Visatoje, bet ir gerokai šviesesnės, nei buvo tikėtasi.

Tyrėjų skaičiavimai rodo, kad nykštukinės galaktikos didžiąsias galaktikas galėjo lenkti santykiu 100 prie 1, o jų bendra jonizuojančios spinduliuotės „produkcija“ buvo maždaug keturis kartus didesnė, nei įprastai priskiriama didelėms galaktikoms.

„Šie kosminiai „galingieji“ bendrai išspinduliuoja daugiau nei pakankamai energijos, kad užduotis būtų atlikta. Nepaisant mažo dydžio, šios mažos masės galaktikos yra itin produktyvios energingos spinduliuotės gamintojos, o jų gausa tuo laikotarpiu tokia didelė, kad bendras poveikis gali pakeisti visos Visatos būseną“, – sakė H. Atekas.

Nors tai kol kas vienas įtikinamiausių paaiškinimų, kas paskatino rejonizaciją, tyrėjai pabrėžia, kad darbo dar liko. Analizuota tik nedidelė dangaus sritis, todėl būtina patikrinti, ar stebėtas nykštukinių galaktikų „derlius“ nėra išskirtinė išimtis.

Mokslininkai planuoja tirti daugiau gravitacinių lęšių sričių, kad surinktų platesnę ankstyvųjų galaktikų populiacijų imtį. Vis dėlto net ir šie rezultatai vertinami kaip itin daug žadantys – rejonizacijos paslapties atsakymo ieškoma nuo pat tada, kai šis reiškinys buvo suvoktas, o dabar, panašu, esame vis arčiau galutinio paaiškinimo.

„Su JWST dabar įžengėme į nepažintą teritoriją. Šis darbas atveria dar daugiau įdomių klausimų, į kuriuos turime atsakyti, siekdami sudėlioti mūsų pradžios evoliucinės istorijos žemėlapį“, – teigė astrofizikas Themiya Nanayakkara iš Australijos „Swinburne University of Technology“.

Tyrimo rezultatai publikuoti žurnale „Nature“.