Эпоха реионизации во Вселенной¶

Эпоха реионизации — период в истории Вселенной, охватывающий примерно от 150–250 млн до 1 млрд лет после Большого взрыва (красные смещения z ≈ 20–6), в течение которого нейтральный водород межгалактической среды вновь перешёл в ионизированное состояние под действием ультрафиолетового излучения первых источников света. Это второй по счёту крупный фазовый переход межгалактической среды после эпохи рекомбинации (z ≈ 1100), когда вещество впервые стало нейтральным.

¶Физическая суть процесса

После рекомбинации температура реликтового излучения упала ниже 3000 К, электроны и протоны объединились в нейтральные атомы водорода, и Вселенная стала прозрачной для излучения. Однако уже к z ≈ 20 начали формироваться первые гравитационно связанные структуры — гало тёмной материи, в которых зародились первые звёзды. Их жёсткое ультрафиолетовое излучение с энергией выше 13,6 эВ ионизировало окружающий газ, создавая растущие пузыри ионизации.

Основными источниками ионизирующего излучения считаются:

• звёзды первого поколения (так называемые звёзды населения III), массивные и короткоживущие;
• молодые галактики с активным звездообразованием;
• квазары и активные ядра галактик;
• возможный вклад первичных чёрных дыр.

¶Этапы

Процесс протекал неоднородно и поэтапно. Выделяют несколько фаз:

Ключевым параметром служит оптическая толща томсоновского рассеяния τ, которую измеряют по поляризации реликтового излучения. Данные космических аппаратов WMAP и Planck дали τ ≈ 0,054–0,09, что указывает на сравнительно раннее и растянутое начало процесса.

¶Наблюдательные свидетельства

Прямое наблюдение реионизации затруднено, поскольку нейтральный водород практически не излучает в видимом диапазоне. Основные методы:

• Спектры квазаров. В линиях квазаров на z > 6 обнаруживаются протяжённые участки поглощения (эффект Ганна — Петерсона), свидетельствующие о наличии нейтрального водорода на линии зрения.
• Гамма-всплески. Их послесвечение служит независимым зондом нейтрального газа на больших z.
• 21-см линия. Излучение нейтрального водорода на длине волны 21 см, смещённое в метровый диапазон, — перспективный инструмент; его пытаются регистрировать эксперименты EDGES, LOFAR, HERA, SKA.
• Лайман-альфа-лес в спектрах далёких квазаров позволяет оценить распределение межгалактического газа.

¶Значение

Реионизация определила оптические свойства Вселенной: до её завершения излучение звёзд и квазаров сильно рассеивалось, после — беспрепятственно распространялось. Процесс тесно связан с формированием первых галактик, химическим обогащением среды тяжёлыми элементами и последующей крупномасштабной структурой. Точные сроки, длительность и главные источники реионизации остаются предметом активных исследований, в том числе с помощью строящихся радиотелескопов метрового диапазона.