Реионизация - Reionization

В области большого взрыв теории и космологии , реионизации это процесс , который вызвал материю во Вселенной , чтобы reionize по прошествию из « темных веков ».

Реионизации является вторым из двух основных фазовых переходов из газа в Вселенной (во - первых, рекомбинации ). Хотя большая часть барионной материи во Вселенной находится в форме водорода и гелия , реионизация обычно относится строго к реионизации водорода , элемента.

Считается, что первичный гелий также испытал ту же фазу реионизационных изменений, но в разные моменты истории Вселенной. Обычно это называют реионизацией гелия .

Задний план

Схематическая временная шкала Вселенной, изображающая место реионизации в космической истории.

Первым фазовым изменением водорода во Вселенной была рекомбинация , которая произошла при красном смещении z  = 1089 (379000 лет после Большого взрыва) из-за охлаждения Вселенной до точки, при которой скорость рекомбинации электронов и протонов с образованием нейтральный водород был выше скорости реионизации . Вселенная была непрозрачной до рекомбинации из-за рассеяния фотонов (всех длин волн) на свободных электронах (и, в значительно меньшей степени, на свободных протонах), но она становилась все более прозрачной по мере того, как все больше электронов и протонов объединялись в нейтральный водород. атомы. В то время как электроны нейтрального водорода могут поглощать фотоны некоторых длин волн, переходя в возбужденное состояние , Вселенная, полная нейтрального водорода, будет относительно непрозрачной только на этих поглощенных длинах волн, но прозрачной на большей части спектра. С этого момента начинаются темные века Вселенной, потому что не было никаких источников света, кроме постепенно смещающегося в красную область космического фонового излучения.

Второе фазовое изменение произошло, когда в ранней Вселенной начали конденсироваться объекты, которые были достаточно энергичными, чтобы повторно ионизировать нейтральный водород. Когда эти объекты сформировали и излучали энергию, Вселенная превратилась из нейтральных атомов в ионизированную плазму . Это произошло между 150 миллионами и одним миллиардом лет после Большого взрыва (при красном смещении 6 <  z  <20). В то время, однако, материя была распространена в результате расширения Вселенной, и рассеивающие взаимодействия фотонов и электронов были гораздо менее частыми, чем до электрон-протонной рекомбинации. Таким образом, Вселенная была заполнена ионизированным водородом низкой плотности и оставалась прозрачной, как и сегодня.

Методы обнаружения

Оглядываясь назад на историю Вселенной, мы сталкиваемся с некоторыми проблемами наблюдения. Однако есть несколько методов наблюдения для изучения реионизации.

Квазары и желоб Ганна-Петерсона

Одним из способов изучения реионизации являются спектры далеких квазаров . Квазары выделяют невероятное количество энергии, на самом деле они являются одними из самых ярких объектов во Вселенной. В результате некоторые квазары можно обнаружить еще в эпоху реионизации. Квазары также имеют относительно однородные спектральные характеристики, независимо от их положения в небе или расстояния от Земли . Таким образом, можно сделать вывод, что любые существенные различия в спектрах квазаров будут вызваны взаимодействием их излучения с атомами на луче зрения. Для длин волн света при энергиях одного из переходов Лаймана водорода сечение рассеяния велико, а это означает, что даже для низких уровней нейтрального водорода в межгалактической среде (IGM) поглощение на этих длинах волн весьма вероятно.

Для близлежащих объектов во Вселенной спектральные линии поглощения очень резкие, поскольку только фотоны с энергией, достаточной для того, чтобы вызвать атомный переход, могут вызвать этот переход. Однако расстояния между квазарами и телескопами, которые их обнаруживают, велики, а это означает, что расширение Вселенной вызывает заметное красное смещение света. Это означает, что по мере того, как свет от квазара проходит через IGM и подвергается красному смещению, длины волн, которые были ниже предела Лайман-альфа, растягиваются и, по сути, начинают заполнять полосу поглощения Лаймана. Это означает, что вместо четких спектральных линий поглощения свет квазара, который прошел через большую, разбросанную область нейтрального водорода, покажет впадину Ганна-Петерсона .

Красное смещение для конкретного квазара предоставляет временную (временную) информацию о реионизации. Поскольку красное смещение объекта соответствует времени, когда он излучал свет, можно определить, когда закончилась реионизация. Квазары ниже определенного красного смещения (ближе в пространстве и времени) не показывают впадину Ганна-Петерсона (хотя они могут показывать лес Лайман-альфа ), в то время как квазары, излучающие свет до реионизации, будут иметь впадину Ганна-Петерсона. В 2001 году было обнаружено четыре квазара (с помощью Sloan Digital Sky Survey ) с красным смещением от z  = 5,82 до z  = 6,28. В то время как квазары выше z  = 6 показали впадину Ганна-Петерсона, что указывает на то, что IGM все еще был, по крайней мере, частично нейтральным, квазары ниже этого не сделали, что означает, что водород был ионизирован. Поскольку ожидается, что реионизация произойдет в относительно коротких временных масштабах, результаты предполагают, что Вселенная приближалась к концу реионизации при z  = 6. Это, в свою очередь, предполагает, что Вселенная все еще должна была быть почти полностью нейтральной при z  > 10.

Анизотропия и поляризация реликтового излучения

Анизотропия космического микроволнового фона на различных угловых масштабах также может быть использована для изучения реионизации. Фотоны рассеиваются при наличии свободных электронов в процессе, известном как томсоновское рассеяние . Однако по мере расширения Вселенной плотность свободных электронов будет уменьшаться, и рассеяние будет происходить реже. В период во время и после реионизации, но до того, как произошло значительное расширение, чтобы существенно понизить электронную плотность, свет, составляющий реликтовое излучение, будет испытывать наблюдаемое томсоновское рассеяние. Это рассеяние оставит свой след на карте анизотропии реликтового излучения , внося вторичные анизотропии (анизотропии, появившиеся после рекомбинации). Общий эффект заключается в стирании анизотропии, возникающей в меньших масштабах. В то время как анизотропия на малых масштабах стирается, анизотропия поляризации фактически вводится из-за реионизации. Наблюдая за наблюдаемой анизотропией реликтового излучения и сравнивая с тем, как они выглядели бы, если бы не происходила реионизация, можно определить столбцовую плотность электронов во время реионизации. Таким образом, можно рассчитать возраст Вселенной, когда произошла реионизация.

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe допускал , что сравнение будет сделано. Первоначальные наблюдения, опубликованные в 2003 году, предполагали, что реионизация происходит от 11 < z  <30. Этот диапазон красного смещения явно расходился с результатами изучения спектров квазаров. Однако трехлетние данные WMAP дали другой результат: реионизация началась при z  = 11, а Вселенная ионизировалась на z  = 7. Это намного лучше согласуется с данными по квазарам.

Результаты миссии Planck в 2018 году дают мгновенное реионизационное красное смещение z = 7,68 ± 0,79.

Обычно здесь указывается параметр τ, «оптическая глубина реионизации», или, альтернативно, z re , красное смещение реионизации, если предположить, что это было мгновенное событие. Хотя это вряд ли будет физическим, поскольку реионизация, скорее всего, не была мгновенной, z re дает оценку среднего красного смещения реионизации.

Линия 21 см

Даже с учетом того, что данные о квазарах примерно согласуются с данными об анизотропии реликтового излучения, все еще остается ряд вопросов, особенно в отношении источников энергии реионизации и влияния и роли образования структуры во время реионизации. Линия 21 см в водороде потенциально может служить средством изучения этого периода, а также «темных веков», предшествовавших реионизации. Линия 21 см возникает в нейтральном водороде из-за разницы в энергии между спин-триплетом и спин-синглетным состояниями электрона и протона. Этот переход запрещен , то есть происходит крайне редко. Переход также сильно зависит от температуры , а это означает, что поскольку объекты формируются в «темные века» и излучают фотоны Лайман-альфа , которые поглощаются и повторно излучаются окружающим нейтральным водородом, он будет производить линейный сигнал длиной 21 см в этом водороде через Связь Wouthuysen-Field . Изучая эмиссию в линии 21 см, можно будет больше узнать о сформировавшихся ранних структурах. Наблюдения в ходе эксперимента по обнаружению глобальной эпохи сигнатуры реионизации (EDGES) указывают на сигнал из этой эпохи, хотя для подтверждения этого потребуются дальнейшие наблюдения. Несколько других проектов надеются добиться прогресса в этой области в ближайшем будущем, например, Precision Array для исследования эпохи реионизации (PAPER), Low Frequency Array (LOFAR), Murchison Widefield Array (MWA), Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT). ), Составителя карты спиновой температуры IGM (MIST), миссии Dark Ages Radio Explorer (DARE) и эксперимента с большой апертурой для обнаружения темных веков (LEDA).

Источники энергии

Астрономы надеются использовать наблюдения, чтобы ответить на вопрос о том, как Вселенная была реионизирована.

Несмотря на то, что были получены наблюдения, в течение которых могла произойти эпоха реионизации, все еще не ясно, какие объекты обеспечивали фотоны, реионизирующие IGM. Для ионизации нейтрального водорода требуется энергия более 13,6 эВ , что соответствует фотонам с длиной волны 91,2 нм или короче. Это ультрафиолетовая часть электромагнитного спектра , что означает, что основными кандидатами являются все источники, которые производят значительное количество энергии в ультрафиолете и выше. Следует также учитывать то, насколько многочисленны источники, а также их долговечность, поскольку протоны и электроны будут рекомбинировать, если не будет непрерывно подавать энергию для их разделения. В целом, критический параметр для любого рассматриваемого источника можно резюмировать как его «скорость излучения ионизирующих водород фотонов на единицу космологического объема». С учетом этих ограничений ожидается, что квазары, звезды и галактики первого поколения были основными источниками энергии.

Карликовые галактики

Карликовые галактики в настоящее время являются основным источником ионизирующих фотонов в эпоху реионизации. Для большинства сценариев это потребовало бы, чтобы логарифмический наклон функции светимости галактик в УФ-диапазоне , часто обозначаемый α, был круче, чем сегодня, приближаясь к α = -2.

В 2014 году два отдельных источника идентифицировали две галактики Зеленого горошка (GP), которые, вероятно, излучают Лайман Континуум (LyC). Это говорит о том, что эти два GP являются аналогами с низким красным смещением излучателей Lyman-alpha и LyC с высоким красным смещением, из которых известны только два других: Haro 11 и Tololo-1247-232 . Обнаружение локальных излучателей LyC имеет решающее значение для теорий о ранней Вселенной и эпохе реионизации. Эти два GP имеют ссылочные номера SDSS DR9: 1237661070336852109 (GP_J1219) и 1237664668421849521.

Новое исследование показывает, что карликовые галактики вносили почти 30% ультрафиолетового света в процессе реионизации. Карлики оказали такое большое влияние, потому что большая часть ионизирующих фотонов способна покидать карликовые галактики (с тактовой частотой 50%), в отличие от более крупных галактик (с тактовой частотой всего 5%). Цитата Дж. Х. Уайза из интервью Sky and Telescope : «Самые маленькие галактики сначала доминируют в ранние времена; однако они в основном убивают себя, выбрасывая свой газ через свои сверхновые и нагревая окружающую среду. меньше, чем Млечный Путь, примерно в 100 раз по массе) берут на себя работу по реионизации Вселенной ".

Квазары

Квазары , класс активных ядер галактик (AGN), считались хорошим кандидатом в качестве источника, потому что они очень эффективны при преобразовании массы в энергию и излучают много света выше порога для ионизации водорода. Однако неизвестно, сколько квазаров существовало до реионизации. Только самые яркие из квазаров, присутствующие во время реионизации, могут быть обнаружены, что означает, что нет прямой информации о существовавших более тусклых квазарах. Однако, глядя на более легко наблюдаемые квазары в соседней Вселенной и предполагая, что функция светимости (количество квазаров как функция светимости ) во время реионизации будет примерно такой же, как сегодня, можно сделать оценки популяции квазаров в прежние времена. Такие исследования показали, что квазаров не существует в достаточном количестве, чтобы реионизировать только IGM, заявив, что «только если на ионизирующем фоне преобладают AGN с низкой светимостью, функция светимости квазара может обеспечить достаточное количество ионизирующих фотонов».

Население III звезды

Смоделированное изображение первых звезд через 400 млн лет после Большого взрыва .

Звезды населения III были самыми ранними звездами, в которых не было элементов более массивных, чем водород или гелий . Во время нуклеосинтеза Большого взрыва единственными элементами, которые образовались помимо водорода и гелия, были следовые количества лития . Тем не менее, спектры квазаров показали присутствие тяжелых элементов в межгалактической среде в раннюю эпоху. Взрывы сверхновых дают такие тяжелые элементы, такие горячие, большие звезды населения III, которые образуют сверхновые, являются возможным механизмом реионизации. Хотя они не наблюдались напрямую, они согласуются в соответствии с моделями с использованием численного моделирования и текущими наблюдениями. Гравитационно линзированы галактика также косвенно свидетельствует звезд населения III. Даже без прямых наблюдений за звездами населения III они являются убедительным источником. Они являются более эффективными ионизаторами, чем звезды населения II, поскольку они излучают больше ионизирующих фотонов и способны самостоятельно реионизировать водород в некоторых моделях реионизации с разумными начальными функциями масс . Как следствие, звезды населения III в настоящее время считаются наиболее вероятным источником энергии, инициирующим реионизацию Вселенной, хотя другие источники, вероятно, взяли верх и довели реионизацию до завершения.

В июне 2015 года астрономы сообщили о наличии звезд населения III в галактике Cosmos Redshift 7 на z = 6.60 . Такие звезды, вероятно, существовали в очень ранней Вселенной (т. Е. С большим красным смещением) и, возможно, начали производство химических элементов, более тяжелых, чем водород , которые необходимы для более позднего образования планет и жизни в том виде, в каком мы ее знаем.

Смотрите также

Примечания и ссылки

внешние ссылки