При помощи Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории было проведено изучение ранней Вселенной в ультрафиолетовом диапазоне. Ученые сконцентрировались на времени реионизации, начавшейся около 13 миллиардов лет назад. Исследуя наиболее удаленные из замеченных человеком галактик, астрономы впервые сумели составить примерную хорологию этого процесса. И она оказалась короче, чем ожидалось.

Наиболее удаленные галактики видны нам сейчас такими, какими они были через 780 миллионов лет после Большого взрыва. Правда, Хаббл уже обнаружил еще более далекие галактики, до 480 миллионов лет после Большого взрыва, но эти данные еще предстоит проверить. В те времена, когда первые звезды и галактики только начинали зарождаться, Вселенная была заполнена нейтральными атомами водорода, поглощающими ультрафиолетовое излучение. Однако с увеличением его мощности в ходе образования источников энергии водород начал распадаться (ионизоваться) и Вселенная стала прозрачна для ультрафиолетового света. Этот процесс называют реионизацией, так как в течение первых 100000 лет после Большого взрыва весь газ был ионизован, и все лишь вернулось на круги своя.

«Археологи могут воссоздать хронологию прошлого, изучая артефакты, найденные ими в различных слоях грунта. Астрономы делают то же самое: мы можем увидеть прошлое и изучать свет от различных галактик, излученный на разных этапах развития Вселенной, – говорит Адриано Фонтана из Римской обсерватории, руководитель трехлетнего исследования. – Различия в наблюдаемых галактиках говорят нам о разных условиях во Вселенной на разных этапах этого важного периода, и о том, как быстро проходили изменения».

Различные химические элементы излучают свет на определенных длинах волн интенсивнее, чем на других. В ультрафиолетовом диапазоне выделяется альфа-линия Лимана, которую излучает водород при переходе его единственного электрона на низкую орбиталь с главным квантовым числом 1. Эта линия достаточно ярка и различима, чтобы ее можно было идентифицировать в наблюдениях даже очень далеких и тусклых объектов.

Ученые исследовали спектр 20 галактик с красным смещением около 7. Из них у пяти были найдены хорошо различимые альфа-линии, и пока что это единственный такой набор галактик. Изучение альфа-линий этих галактик позволило, во-первых, определить расстояние до них по смещению линий в красную сторону спектра. А определив расстояние, удалось вычислить время после Большого взрыва, которому соответствуют наши наблюдения. В результате галактики были выстроены по времени, создавая хронологию изменения излучения галактик. Во-вторых, удалось определить, насколько альфа-линия поглощалась остававшимися во Вселенной нейтральными атомами водорода, в разные моменты времени.

«Мы обнаружили очень большое различие в количестве ультрафиолетового излучения, поглощенного на разных этапах, отраженных в ранних и поздних галактиках в нашем наборе, – говорит Лаура Пентеричи. – Когда возраст Вселенной составлял всего 780 миллионов лет нейтрального водорода было довольно много, он занимал от 10 до 50 процентов всего объема Вселенной. Но всего через 200 миллионов лет его количество упало до чрезвычайно малого, почти такого же, как сейчас. Похоже, реионизация прошла быстрее, чем было принято считать».

Кроме изучения скорости, с которой рассеивался туман, ученые определили возможный источник излучения, достаточно мощный для реионизации. В настоящее время существует несколько конкурирующих гипотез. Среди них особенно выделяются две основные. Согласно первой, источником энергии явились образующиеся звезды. Астрономы классифицируют звезды по трем категориям, или населениям. Население I, как например наше Солнце, характеризуются большим количеством тяжелых элементов, образовавшихся в более старых звездах или в результате взрывов сверхновых. Эти звезды образовались из обломков более старых светил, это молодые звезды. Звезды населения II имеют меньше тяжелых элементов и состоят в основном из водорода, гелия и лития, образовавшихся во время Большого взрыва. Это старые звезды, но все же многие из них еще существуют. Звезды населения III никогда не наблюдались. Они существовали на ранних этапах развития Вселенной. В их составе были только элементы, образовавшиеся во время Большого взрыва, так что в них вообще не было тяжелых элементов. Поэтому для образования звезд третьего населения было необходимо очень много вещества. Они были гигантами с малой продолжительностью жизни. Их мощное излучение и частые взрывы ссверхновых вполне могли запустить процесс реионизации. Альтернативной гипотезой служит интенсивное излучение материи, падающей на черную дыру.

«Скрупулезный анализ тусклого света двух наиболее удаленных галактик из найденных нами говорит о том, что самые первые звезды вполне могли дать вклад в наблюдаемую энергию, – говорит Эрос Ванцелла из Астрономической обсерватории Триеста. – Это должны были быть очень молодые и массивные звезды, в пять тысяч раз моложе Солнца и в сто раз тяжелее. Они смогли рассеять изначальный туман и сделать его прозрачным».

Для полного подтверждения гипотезы о роли звезд в реионизации недостаточно Очень большого телескопа. Для этого нужны измерения с намного большим разрешением. Его могут достичь только космические телескопы и планируемый Чрезвычайно большой телескоп, который должен вступить в строй не ранее чем через десять лет. 8.2-метровое зеркало Очень большого телескопа позволило ученым лишь немного приблизиться в разрешении этого вопроса, используя также данные Хаббла.