Прослеживая 13 миллиардов лет истории в свете древних квазаров

Астрофизики из Австралии пролили новый свет на состояние Вселенной 13 миллиардов лет назад, измерив плотность углерода в газах, окружающих древние галактики.

Исследование, опубликованное в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического обществаЭто добавляет еще один кусочек к загадке истории Вселенной.

— говорит доктор Ребекка Дэвис, научный сотрудник ASTRO 3D в Технологическом университете Суинберна, Австралия, и ведущий автор статьи, описывающей открытие.

Исследование показывает, что количество теплого углерода внезапно увеличилось в пять раз за период всего в 300 миллионов лет — мгновение ока по астрономическим меркам.

В то время как предыдущие исследования предполагали рост теплого углерода, для получения статистических данных, позволяющих точно измерить скорость этого роста, требовались гораздо более крупные образцы — основа нового исследования.

«Это то, что мы здесь сделали. Итак, мы предлагаем два возможных объяснения такого быстрого развития», — говорит доктор Дэвис.

Во-первых, первоначальное увеличение количества углерода вокруг галактик происходит просто потому, что во Вселенной больше углерода.

«В период, когда формируются первые звезды и галактики, образуется много тяжелых элементов, потому что у нас никогда не было углерода до того, как у нас появились звезды», — говорит доктор Дэвис. «Поэтому одной из возможных причин такого быстрого роста является то, что мы наблюдаем продукты первых поколений звезд».

Однако исследование также обнаружило доказательства того, что количество холодного углерода уменьшилось за тот же период. Это указывает на то, что в эволюции углерода могут быть две разные стадии — быстрый подъем при реионизации и последующее уплощение.

Эпоха реионизации, наступившая, когда Вселенной был «всего лишь» миллиард лет, наступила, когда свет вернулся после космических темных веков, последовавших за Большим взрывом.

До этого Вселенная была густой темной газовой дымкой. Но когда образовались первые массивные звезды, их свет начал сиять в космосе и снова ионизовать Вселенную. Этот свет мог привести к быстрому нагреву окружающего газа, что вызвало всплеск теплого углерода, наблюдаемый в этом исследовании.

Исследования реионизации жизненно важны для понимания того, когда и как образовались первые звезды и начали производить элементы, которые мы имеем сегодня. Но измерения, как известно, сложны.

«Исследование под руководством доктора Дэвиса основано на исключительной выборке данных, полученных в течение 250 часов наблюдений на Очень Большом Телескопе (VLT) в Европейской южной обсерватории в Чили», — говорит доктор Валентина Додорико из Итальянского института. кандидат астрофизики, главный исследователь наблюдательной программы. «Это самое большое количество времени наблюдений, посвященное одному проекту, проведенному с помощью спектрометра X-shooter.

«Благодаря 8-метровому VLT мы можем наблюдать некоторые из более далеких квазаров, которые действуют как фонарики, освещая галактики на пути от ранней Вселенной к Земле».

По мере того, как свет квазара проходит через галактики в своем 13-миллиардном путешествии по Вселенной, некоторые фотоны поглощаются, создавая в свете узоры, похожие на штрих-коды, которые можно анализировать, чтобы определить химический состав и температуру газа в галактиках.

Это дает историческую картину эволюции Вселенной.

«Эти «штрих-коды» фиксируются детекторами спектрометра X-Shooter VLT, — объясняет д-р Дэвис. «Этот инструмент разделяет свет галактики на разные длины волн, как пропуская свет через призму, что позволяет нам считывать штрих-коды и измерять свойства каждой галактики».

Исследование под руководством доктора Дэвиса зафиксировало больше штрих-кодов древних галактик, чем когда-либо прежде.

«Мы увеличили количество квазаров, для которых у нас есть высококачественные данные, с 12 до 42, что, наконец, позволило провести подробные и точные измерения эволюции плотности углерода», — говорит доктор Д’Одорико.

Это крупное достижение стало возможным благодаря ESO VLT, одному из самых передовых телескопов на Земле и стратегическому партнеру Австралии.

«Исследование предоставляет более старый набор данных, который не будет значительно улучшен до тех пор, пока в конце этого десятилетия не будут введены в эксплуатацию телескопы 30-метрового класса», — говорит профессор Эмма Райан Вебер, старший научный сотрудник Центра передового опыта ARC для всего неба. Астрофизика. 3 Dimensions (ASTRO 3D) и второй автор исследования. «Для высококачественных данных даже из ранней Вселенной потребуется доступ к таким телескопам, как Чрезвычайно большой телескоп (ELT), который сейчас строится в Чили».

Астрономы используют различные типы данных для построения истории Вселенной.

«Наши результаты согласуются с недавними исследованиями, показывающими, что количество нейтрального водорода в межгалактическом пространстве быстро уменьшается примерно в то же время», — говорит доктор Дэвис.

«Это исследование также прокладывает путь для будущих исследований с массивом квадратных километров (SKA), целью которых является прямое обнаружение выбросов нейтрального водорода в этот ключевой момент в истории Вселенной».

Профессор Райан Вебер говорит, что исследование лежит в основе миссии ASTRO 3D, чтобы понять эволюцию элементов, от Большого взрыва до наших дней: — распространились по вселенной?»

«Мы, люди, стремимся понять, откуда мы пришли?» «Невероятно думать, что штрих-код атомов углерода возрастом 13 миллиардов лет был запечатлен на фотонах в то время… […] Земли даже не существовало. Эти фотоны путешествовали по Вселенной к VLT, а затем использовались для построения картины эволюции Вселенной».