Стаття для сьогоднішнього огляду називається так: «Космічна реіонізація після Планка». Назву, звичайно, вдалою не назвеш: все-таки сам Нобелівський лауреат покинув нас без малого 70 років тому, телескоп його імені вже два роки як вимкнений, а сама космічна реіонізація закінчилася майже 13 мільярдів років до цього. Тим не менш, за цією назвою ховається дуже важлива робота про ту епоху, коли після довгих «Століть мороку» у Всесвіті знову з'явилося світло.
Давайте трохи освіжимо в пам'яті, що таке плазма. У школі нам говорили, що це четвертий (після рідкого, твердого і газоподібного) і останній (що насправді невірно) стан речовини. Якщо говорити точніше, то плазма - це газ, частинки якого мають ненульовий заряд. При цьому повний заряд всієї плазми в якійсь області цілком може бути нульовим.
Уявити плазму дуже просто: беремо водень в герметичному контейнері і відриваємо у кожного атома по електрону - тепер при збереженні колишнього нульового заряду в контейнері літають позитивні і негативні частинки. Це докорінно змінює властивості середовища - крім гравітації тепер тут присутні електричні сили, які впливають на динаміку поведінки частинок: їх розподіл по швидкостях може не бути максвелівським, а значить, до неї непримінні рівняння Менделєєва-Клапейрона, Гей-Люссака і Шарля. Для опису плазми застосовують магнітогідродинамічні (або газодинамічні) рівняння.
Досить екзотична на Землі, плазма в космосі - це найпоширеніший стан речовини. Будь-яка зірка практично повністю складається з плазми: температура зірки настільки велика, що в електронів на зовнішніх рівнях елементів просто немає шансів утриматися, вони відриваються від ядра, утворюючи той самий іонізований газ. міжгалактичний газ, залишки наднових, протозірки, газ, що падає на чорну діру, сонячний вітер - все це плазма.
Певна частина міжзоряного газу може бути нейтральною, ці області не відчувають кулонівського відштовхування частинок з однаковим зарядом і тому швидше збираються в щільні області, саме в таких холодних областях нейтрального водню утворюються нові зірки.
І тепер ми підходимо до головного - а як ця плазма утворилася? В історії Всесвіту було всього два періоди, коли глобально змінювався стан речовини: це епоха рекомбінації та епоха реіонізації.
Опускаючи подробиці (дуже цікаві), справа йшла так: Після великого вибуху температура речовини була така висока, що електрони і протони, стикаючись, не могли утворити стабільні атоми. У міру розширення Всесвіт охолоджувався, і через 379 000 років після Великого вибуху він охолов настільки, що гаряча первинна плазма змогла рекомбінувати (тобто з окремих протонів і електронів сформувалися атоми водню і гелію). Саме в цей момент наш Всесвіт став прозорим. Після цього почалася Темна епоха - атоми вже з'явилися, а зірки ще немає. Світла не було взагалі, темрява охопила весь Всесвіт. А вся речовина в цей момент була нейтральною.
А далі, у міру формування перших галактик, в них почали утворюватися зірки і найраніші потужні квазари. Їх ультрафіолетове випромінювання висвітлило Всесвіт, але при попаданні на атом водню, заодно збуджувало електрон і відривало його від ядра. Всесвіт при цьому продовжував розширюватися і всі його параметри були так добре підібрані, що відірватися електрон встигав, а ось знову рекомбінувати з ядром - вже немає, тому що середня щільність речовини стрімко падала і шанси зустрітися з цим ядром у електрона були зникаюче маленькі.
Ось саме цей процес, коли фотони зірок і квазарів перетворили холодний і нейтральний газ на плазму, і називається епохою реіонізації.
Зауважимо, що коли ми говоримо про реіонізацію, зазвичай передбачаються тільки атоми водню. Деяка кількість гелію також утворилася відразу після Великого вибуху, і він теж в основному іонізований. Цей процес називається гелієвою реіонізацією і досить рідко розглядається в контексті еволюції Всесвіту.
Розібравшись з суттю ефекту, повернімося до статті. Астрофізики Сурав Мітра, Рой Чодурі і Андреа Феррара використовують останні опубліковані дані космічного апарату Планк, а також спектри квазарів і підставляють їх у напіваналітичну модель, розроблену самими авторами.
Взагалі кажучи, телескоп «Планк» (і його попередник, WMAP) були створені для дослідження Реліктового випромінювання, не зовсім зрозуміло - до чого тут реіонізація? Дійсно, телескопи відомі тим, що склали карту температури Реліктового випромінювання і виявили там анізотропію (тобто неоднорідності), які не можна списати на неточності вимірювань. У цих неоднорідностей є багато пояснень - це і вплив пилу, і ефект Сюняєва-Зельдовича, але деяка частина цих неоднорідностей може бути пояснена Томсонівським розсіянням, тобто падінням фотона на заряджену частинку.
Так от, вимірюючи оптичну товщину томсонівського розсіювання (тобто ступінь непрозорості середовища для проміння, що проходить крізь неї) можна встановити, наскільки іонізоване було середовище в ту далеку епоху. Команда, що працює з результатами телескопа «Планк», планує закінчити обробку інформації (отриманої всього лише за 4 роки роботи телескопа) тільки до 2016-го року. Однак результати цієї місії настільки важливі, що в міру уточнення обробленої інформації команда телескопа випускає все нові і нові релізи, які тут же йдуть у справу.
Тепер розглянемо світло квазарів: як він може допомогти нам дізнатися щось про реіонізацію. Справа в тому, що якщо він проходить крізь нейтральний водень, то поглинається, а якщо крізь вже іонізований - то проходить як є. Ми бачимо піки на лівій частині графіків у більш близьких до нас квазарів (знизу) і вони знижуються в міру збільшення відстаней до квазарів (чим вище рядок, тим квазар далі) - це означає, що світло від самих далеких квазарів проходив крізь ще нейтральний водень (реіонізація не закінчилася), тоді як ближні вже могли доносити до нас своє випромінювання майже не втрачаючи його хмарах нейтрального водню (реіонізація завершилася). Цей метод датування реіонізації називається западиною Ганна-Петерсона
Модель авторів статті враховує неоднорідний розподіл міжгалактичної речовини, окрему реіонізацію водню і гелію, самостійний внесок різних поколінь зірок, зміну темпів зіроутворення в розріджених ділянках галактик, наявність темної матерії і безліч інших параметрів. Потім за методом Монте-Карло з використанням ланцюгів Маркова модель вважає логнормальний розподіл ймовірності темпу реіонізації, кількості нейтрального водню, томсонівської оптичної товщини - тих ключових параметрів, за якими і відновлюється історія утворення плазми у Всесвіті.
Нові дані телескопа «Планка», на думку авторів статті, свідчать про те, що реіонізація проходила на червоних зміщеннях 5.8 < z < 9.3, тобто почалася 527 мільйонів років потому після Великого вибуху і закінчилася ще через 450 мільйонів років (ось простенька програма, яка вважає вік і розміри Всесвіту для будь-якого червоного зміщення).
Справа в тому, що це не просто зрушує початок реіонізації на 100 мільйонів років вперед, але, що набагато більш важливо, усувають відому суперечність між спостереженнями і теорією: попередні дані вказували на більш ранній початок реіонізації, а це не узгоджується з сучасними моделями еволюції зірок, галактик і квазарів. Досі виходило, що Всесвіт іонізується, коли самих джерел іонізації просто не повинно було бути в достатній кількості. А це недобре. Більш точний вимір томсонівської оптичної товщини говорить на користь початку реіонізації в той період, коли зірки і квазари вже точно світили у Всесвіті.
Ще одним результатом статті слід визнати той факт, що швидше за все реіонізація пройшла без впливу найперших зірок (так званих зірок населення III) і швидше за все була нетривалим процесом, що протікає без пауз. Все-таки 450 мільйонів років - це дуже мало. Для порівняння, 450 мільйонів років тому на Землі з'явилися перші скорпіони.
На закінчення можна сказати, що уточнення параметрів реіонізації важливо як саме по собі, але може бути використано і в більш практичних, - за мірками астрофізики, звичайно, - цілях. Наприклад, для уточнення функції світності (тобто розподілу галактик в заданому обсязі залежно від їх світності, а значить і розмірів) на ранніх етапах еволюції Всесвіту. Теж чимало.