Ми, можливо, нарешті знаємо, що стало першим джерелом світла в ранньому Всесвіті.

Згідно з даними телескопів Хаббл і Джеймса Вебба, джерелом вільно літаючих фотонів на зорі космічної ери стали маленькі карликові галактики, які спалахнули, очищаючи туман з мутного водню, що заповнював міжгалактичний простір. Стаття про це дослідження була опублікована в лютому 2024 року.

«Це відкриття розкриває важливу роль, яку відіграють ультра-слабкі галактики в еволюції раннього Всесвіту», — сказала астрофізик Ірина Чемеринська з Інституту астрофізики Парижа.

«Вони виробляють іонізуючі фотони, які перетворюють нейтральний водень на іонізований плазму під час космічної реіонізації. Це підкреслює важливість розуміння галактик з низькою масою у формуванні історії Всесвіту».

На початку Всесвіту, протягом кількох хвилин після Великого вибуху, простір був заповнений гарячим, щільним туманом іонізованої плазми. Світло, яке існувало, не могло пробитися через цей туман; фотони просто розсіялися б об вільні електрони, що плавали навколо, фактично роблячи Всесвіт темним.

Коли Всесвіт охолов, приблизно через 300 000 років, протони та електрони почали об'єднуватися, формуючи нейтральний водень (і трохи гелію). Більшість довжин хвиль світла могли проникати через цей нейтральний середовище, але джерел світла було дуже мало.

Проте з цього водню та гелію народилися перші зірки. Ці перші зірки випромінювали радіацію, яка була достатньо сильною, щоб зірвати електрони з їх ядер і реіонізувати газ. На той момент Всесвіт настільки розширився, що газ став розрідженим і не міг заважати світлу виходити назовні.

Приблизно через 1 мільярд років після Великого вибуху, в кінці періоду, відомого як космічна зоря, Всесвіт був повністю реіонізований. Ура! Вогні загорілися.

Але через те, що в космічній зорі було багато туману, і через те, що вона була настільки тьмяною і далекою в часі та просторі, нам було важко побачити, що там є.

Вчені вважали, що джерела, відповідальні за більшість очищення, повинні бути потужними — величезні чорні діри, чия акреція виробляє сліпуче світло, наприклад, і великі галактики, що перебувають у процесі формування зірок.

JWST був спроектований, частково, щоб заглянути в космічну зорю і спробувати побачити, що там ховається. Він був дуже успішним, відкриваючи всілякі сюрпризи про цей критичний час у формуванні нашого Всесвіту. Дивно, але спостереження телескопа тепер свідчать, що карликові галактики є ключовими гравцями в реіонізації.

Міжнародна команда, очолювана астрофізиком Хакімом Атека з Інституту астрофізики Парижа, звернулася до даних JWST про скупчення галактик під назвою Abell 2744, підтверджених даними з Хаббла.

Abell 2744 настільки щільне, що простір-час викривляється навколо нього, формуючи космічну лінзу; будь-яке далеке світло, що проходить через цей простір-час, стає збільшеним. Це дозволило дослідникам побачити маленькі карликові галактики, близькі до космічної зорі.

Потім вони використали JWST, щоб отримати детальні спектри цих маленьких галактик. Їхній аналіз показав, що ці карликові галактики не тільки є найпоширенішим типом галактик у ранньому Всесвіті, але й набагато яскравіші, ніж очікувалося.

Насправді, дослідження команди показує, що карликові галактики перевищують великі галактики в 100 разів, а їхнє колективне випромінювання в чотири рази більше, ніж зазвичай вважається для більших галактик.

«Ці космічні потужності колективно випромінюють більше ніж достатньо енергії, щоб виконати цю роботу», — сказав Атик.

«Незважаючи на їхній маленький розмір, ці галактики з низькою масою є продуктивними виробниками енергійної радіації, і їхня чисельність у цей період настільки значна, що їхній колективний вплив може змінити весь стан Всесвіту».

Це найкраще свідчення сили, що стоїть за реіонізацією, але ще багато роботи попереду. Дослідники вивчили лише невелику ділянку неба; їм потрібно впевнитися, що їхній зразок не є просто аномальним скупченням карликових галактик, а є репрезентативним зразком всієї популяції на космічній зорі.

Вони мають намір вивчити більше космічних лінз на небі, щоб отримати ширший зразок ранніх галактичних популяцій. Але вже на цьому одному зразку результати неймовірно захоплюючі. Вчені переслідують відповіді на реіонізацію стільки, скільки ми про це знаємо. Ми на межі того, щоб нарешті розвіяти туман.

Дослідження було опубліковано в Nature.