Реионизация — эпоха во Вселенной¶

Реионизация — космологическая эпоха в истории Вселенной, последовавшая за тёмными веками и предшествовавшая образованию современных крупномасштабных структур. В этот период (приблизительно от 380 тысяч до 1 миллиарда лет после Большого взрыва) под действием излучения первых звёзд и галактик произошла вторичная ионизация межгалактического водорода, который после рекомбинации находился в нейтральном состоянии.

¶Физическая основа

В ранней Вселенной сразу после Большого взрыва вещество представляло собой горячую плотную плазму. Через 380 тысяч лет после начала расширения температура упала настолько, что протоны и электроны смогли объединиться в нейтральные атомы водорода — этот процесс называют рекомбинацией. Вселенная стала прозрачной для излучения, а реликтовое излучение, наблюдаемое сегодня, является «снимком» той эпохи.

Однако нейтральный водород не мог существовать вечно. С образованием первых массивных звёзд и галактик началось излучение ультрафиолетовых фотонов с энергией выше 13,6 эВ, достаточной для отрыва электронов от атомов водорода. Этот процесс привёл к тому, что межгалактическая среда снова превратилась в ионизированную плазму.

¶Хронология и этапы

Реионизация не была мгновенным событием — она растянулась на несколько сотен миллионов лет. Космологи выделяют несколько ключевых этапов:

• Начало (около 13,6–13,3 млрд лет назад): формирование первых звёздных скоплений (Population III) из первичного газа, не содержавшего тяжёлых элементов. Эти звёзды были крайне массивными и горячими, их излучение создавало первые ионизированные пузыри вокруг родительских галактик.
• Разрастание пузырей (13,3–12,8 млрд лет назад): ионизированные области расширялись и сливались друг с другом, особенно в плотных скоплениях галактик. Нейтральный водород сохранялся лишь в разреженных областях между ними.
• Завершение (около 12,8–12,5 млрд лет назад): ионизация охватила практически весь объём межгалактической среды. К этому моменту Вселенная стала полностью прозрачной для ультрафиолетового излучения, что подтверждается наблюдениями квазаров.

Ключевой параметр эпохи — оптическая глубина томсоновского рассеяния, измеряемая по поляризации реликтового излучения. Данные космической обсерватории «Планк» (2018) указывают на середину реионизации при красном смещении z ≈ 7,7, что соответствует возрасту Вселенной около 700 млн лет.

¶Источники ионизирующего излучения

Главными кандидатами на роль источников реионизации выступают:

• Массивные звёзды первых поколений — их спектр был жёстче, чем у современных звёзд, из-за отсутствия металлов, что увеличивало выход ионизирующих фотонов.
• Карликовые галактики — многочисленные, но маломассивные системы, не наблюдаемые напрямую современными телескопами, но дающие существенный суммарный вклад.
• Активные ядра галактик (квазары) — их вклад оценивается как второстепенный (не более 10–20 %), поскольку плотность квазаров в ту эпоху была невелика.

Современные модели (например, симуляции IllustrisTNG и EAGLE) показывают, что доминирующий вклад (около 70–80 %) обеспечивали именно галактики, а не квазары.

¶Наблюдательные свидетельства

Прямое наблюдение эпохи реионизации крайне затруднено из-за удалённости объектов. Основные методы исследования:

• Спектры квазаров: поглощение в линии Лайман-альфа в спектрах далёких квазаров (например, J1342+0928 при z = 7,54) показывает наличие остаточного нейтрального водорода.
• Галактики с сильным эмиссионным излучением: обнаружение линий Лайман-альфа и Лайман-континуума у галактик при z > 7 позволяет оценивать степень ионизации окружающей среды.
• Поляризация реликтового излучения: измерение крупномасштабной поляризации даёт интегральную оценку оптической глубины.
• Радионаблюдения 21-сантиметровой линии: попытки зафиксировать сигнал от нейтрального водорода в эпоху реионизации (эксперименты EDGES, HERA, LOFAR) пока дали лишь верхние пределы, но остаются перспективным направлением.

¶Значение для космологии

Реионизация является важнейшим маркером перехода Вселенной от простого однородного состояния к сложной структурированной системе. Она напрямую связана с формированием первых звёзд и галактик, а также с процессами, определившими химический состав межгалактической среды. Кроме того, эпоха реионизации ограничивает модели тёмной материи и физики ранних галактик: например, если бы первые звёзды формировались слишком поздно или слишком рано, наблюдаемая картина ионизации не соответствовала бы данным.

Изучение этой эпохи — одна из главных целей космического телескопа «Джеймс Уэбб» (запущен в 2021), который способен наблюдать галактики при красных смещениях до 13–14 и напрямую исследовать условия реионизации.

¶Источники

• Планк Collaboration, «Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters», Astronomy & Astrophysics, 2020.
• R. Barkana, A. Loeb, «In the beginning: the first sources of light and the reionization of the universe», Physics Reports, 2001.
• M. G. Santos et al., «Reionization and the Cosmic Dawn with the Square Kilometre Array», 2015.
• С. А. Лемешева, «Эпоха реионизации: первые звёзды и галактики», Успехи физических наук, 2010.