Проведены наблюдения галактик эпохи реионизации

13.10.11 Интернациональная группа астрономов выполнила спектроскопические наблюдения двадцати удалённых галактик эпохи реионизации, одного из важнейших этапов развития молодой Вселенной.

Стоит сразу напомнить, что Вселенная в начале своего существования была (предположительно) заполнена плазмой, но последующее расширение и охлаждение сделали образование нейтрального водорода энергетически выгодным, и доля свободных электронов и протонов резко снизилась. Источники излучения в тот период отсутствовали, вследствие чего он обозначается как «тёмные века». Вскоре во Вселенной начали появляться первые звёзды и галактики, излучение которых запустило процесс реионизации — повторной ионизации газа. Когда он завершился, межгалактическое пространство стало прозрачным для фотонов УФ-излучения, ранее поглощавшихся нейтральным водородом.

Обрабатывая последние данные с «Хаббла», учёные выделили довольно большую группу удалённых галактик, которые могли бы участвовать в реионизации. Эти результаты, однако, считались не слишком надёжными, так как оценка красного смещения для галактик, попавших в выборку, не проверялась спектроскопическими методами.

В новой работе, посвящённой, в отличие от прочих, спектроскопическим наблюдениям, были протестированы 20 кандидатов в удалённые галактики с красным смещением z ~ 7, которое примерно соответствует расстоянию в 13 млрд световых лет. Исследование, ориентированное на регистрацию спектральной линии лайман-альфа (Lα), проводилось летом 2010-го на спектрографе FORS2 «Очень большого телескопа». Lα в спектре водорода отвечает переход атомов из первого возбуждённого состояния в основное и длина волны в 1215,7 Å, попадающая в область вакуумного ультрафиолета.

Нужная линия обнаружилась в спектрах пяти галактик. Первоначальная оценка красного смещения везде оказалась близка к истинным значениям: пять измеренных величин z попадают в диапазон 6,7 < z < 7,1. У галактики NTTDF–6345, к примеру, Lα лежит на 9364 Å, что даёт z = (9364 – 1215,7)/1215,7 = 6,7. Во всех пяти случаях учёные также определили эквивалентную ширину линии Lα, показывающую, какому участку непрерывного спектра в окрестности спектральной линии соответствует её полная интенсивность.

Поскольку эквивалентная ширина характеризует интенсивность линии лайман-альфа, наблюдения за тем, как ширина изменяется со временем, позволяют оценить эффект реионизации. Сравнивая полученные результаты с известными данными по менее удалённым галактикам на z ~ 6, астрономы отметили явный недостаток объектов со средней (20–55 Å) эквивалентной шириной Lα; следовательно, доля нейтрального водорода во Вселенной на временнóм отрезке 6 < z < 7 снижалась очень быстро. «Мы видим резкое изменение условий в молодой Вселенной, — говорит руководитель работы Лаура Пентериччи (Laura Pentericci) из Римской астрономической обсерватории. — Когда её возраст составлял 780 млн лет, в ней было довольно много нейтрального водорода, но уже через 200 млн его объём сократился, что способствовало распространению излучения лайман-альфа».