| Часть серии по |
| Физическая космология |
|---|
 |
|
КатегорияВ области большого взрыва теории и космологии , реионизации это процесс , который вызвал этот вопрос в вселенной к reionize по прошествии из « темных веков ».
Реионизации являются второй из двух основных фазовых переходов от газа в Вселенной [ править ] (первый является рекомбинация ). 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. Это обычно называют реионизацией гелия .
Фон [ править ]
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 . [ необходима цитата ] Вселенная была непрозрачной до рекомбинации из-за рассеянияфотонов (всех длин волн) от свободных электронов (и, в значительно меньшей степени, свободных протонов), но он становился все более прозрачным по мере того, как все больше электронов и протонов объединялись, образуя нейтральные атомы водорода. 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). [ необходима цитата ]В то время, однако, материя была распространена в результате расширения Вселенной, и рассеивающие взаимодействия фотонов и электронов происходили гораздо реже, чем до электрон-протонной рекомбинации. Таким образом, Вселенная была заполнена ионизированным водородом низкой плотности и оставалась прозрачной, как и сегодня.
Методы обнаружения [ править ]
Оглядываясь назад на историю Вселенной, мы сталкиваемся с некоторыми проблемами наблюдения. Однако есть несколько методов наблюдения для изучения реионизации.
Квазары и желоб Ганна-Петерсона [ править ]
Одним из способов изучения реионизации являются спектры далеких квазаров . Квазары выделяют необычайное 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 лаймановских переходов водородасечение рассеяния велико, а это означает, что даже при низких уровнях 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 . [1]
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 красными смещениями от z = 5,82 до z = 6,28. А квазары над z = 6 показал впадину Ганна-Петерсона, что указывает на то, что IGM все еще был, по крайней мере, частично нейтральным, а приведенные ниже - нет, что означает, что водород был ионизирован. Поскольку ожидается, что реионизация произойдет в относительно короткие сроки, результаты предполагают, что вселенная приближалась к концу реионизации при z = 6. [2] Это, в свою очередь, предполагает, что вселенная все еще должна была быть почти полностью нейтральной при z > 10.
Анизотропия и поляризация реликтового излучения [ править ]
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). [3]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. [4] 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. [5] 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. [6] Это намного лучше согласуется с данными по квазарам.
Результаты миссии Planck в 2018 году дают мгновенное реионизационное красное смещение z = 7,68 ± 0,79. [7]
Параметр, обычно цитируемый здесь, - это 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 [ править ]
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 , что означает, что поскольку объекты формируются в «темные века» и излучают фотоны Лайман-альфакоторые поглощаются и повторно испускаются окружающим нейтральным водородом, он будет производить линейный сигнал длиной 21 см в этом водороде за счет связи Ваутхуйзена-Поля . [8] [9] Изучая эмиссию линии 21 см, можно будет узнать больше 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. [10] Несколько других проектов надеются добиться прогресса в этой области в ближайшем будущем, такие как Precision Array for Probing the Epoch of Reionization (PAPER), Low Frequency Array (LOFAR),Murchison Widefield Array (MWA), Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT), Mapper из IGM Spin Temperature (MIST), миссия Dark Ages Radio Explorer (DARE) и Эксперимент с большой апертурой для обнаружения темных веков (LEDA).
Источники энергии [ править ]
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 в ультрафиолетовой части 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». [12] С учетом этих ограничений ожидается, что квазары, звезды и галактики первого поколения были основными источниками энергии. [13]
Карликовые галактики [ править ]
Карликовые галактики в настоящее время являются основным источником ионизирующих фотонов в эпоху реионизации. [14] Для большинства сценариев это потребовало бы, чтобы логарифмический наклон функции светимости галактики в УФ-диапазоне , часто обозначаемый α, был круче, чем сегодня, приближаясь к α = -2. [14]
В 2014 году два отдельных источника идентифицировали две галактики Зеленого горошка (GP), которые, вероятно, излучают Лайман Континуум (LyC). [15] [16] Это говорит о том, что эти два GP являются аналогами с низким красным смещением излучателей Lyman-alpha и LyC с большим красным смещением, из которых известны только два других: Haro 11 и Tololo-1247-232 . [15] [16] [17] Обнаружение локальных излучателей LyC имеет решающее значение для теорий о ранней Вселенной и эпохе реионизации. [15] [16] Эти два врача общей практики имеют справочные 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%). [18] [19] Цитата JH Wise 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. более крупные галактики (но все же намного меньшие, чем Млечный Путь, примерно в 100 раз по массе) берут на себя задачу реионизации Вселенной ». [18]
Квазары [ править ]
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 таким же, как сегодня, можно сделать оценки численности квазаров в более ранние времена. Такие исследования показали, что квазаров не существует в достаточном количестве, чтобы реионизировать только IGM, [12] [20] говоря, что «только если на ионизирующем фоне преобладают AGN с низкой светимостью, функция светимости квазаров может обеспечить достаточное количество ионизирующих фотонов. " [21]
Звезды населения III [ править ]
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 с моделями с использованием численного моделирования [22] и текущими наблюдениями. [23] Агалактика с гравитационной линзой также косвенно свидетельствует о наличии звезд населения III. [24] Даже без прямых наблюдений звезд населения III они являются убедительным источником. Они являются более эффективными ионизаторами, чем звезды Населения II, поскольку они излучают больше ионизирующих фотонов [25] и способны самостоятельно реионизировать водород в некоторых моделях реионизации с разумными начальными функциями масс . [26] Как следствие, звезды населения III в настоящее время считаются наиболее вероятным источником энергии для инициации реионизации Вселенной [27], 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. [28] [29]
См. Также [ править ]
- Большой взрыв
- Хронология Вселенной
- Галактики в локальной вселенной, которые "пропускают" фотоны континуума Лаймана.
- Аро 11 - первая из двух галактик
- Тололо-1247-232 - вторая из двух галактик
- Список самых далеких астрономических объектов
- Галактика гороха
- Квазары
Примечания и ссылки [ править ]
- ↑ Дж. Э. Ганн и Б. А. Петерсон (1965). «О плотности нейтрального водорода в межгалактическом пространстве». Астрофизический журнал . 142 : 1633–1641. Bibcode : 1965ApJ ... 142.1633G . DOI : 10.1086 / 148444 .
- ^ RH Беккер; и другие. (2001). «Доказательства реионизации на z ~ 6: обнаружение впадины Ганна-Петерсона в квазаре с z = 6,28». Астрономический журнал . 122 (6): 2850–2857. arXiv : astro-ph / 0108097 . Bibcode : 2001AJ .... 122.2850B . DOI : 10.1086 / 324231 . S2CID 14117521 .
- ^ Манодж Каплингхат; и другие. (2003). «Исследование истории реионизации Вселенной с использованием поляризации космического микроволнового фона». Астрофизический журнал . 583 (1): 24–32. arXiv : astro-ph / 0207591 . Bibcode : 2003ApJ ... 583 ... 24K . DOI : 10.1086 / 344927 . S2CID 11253251 .
- ↑ О. Доре; и другие. (2007). «Сигнатура пятнистой реионизации в поляризационной анизотропии реликтового излучения». Physical Review D . 76 (4): 043002. arXiv : astro-ph / 0701784v1 . Bibcode : 2007PhRvD..76d3002D . DOI : 10.1103 / PhysRevD.76.043002 . S2CID 119360903 .
- ↑ А. Когут; и другие. (2003). "Первый год наблюдений зонда Уилкинсона микроволновой анизотропии (WMAP): корреляция поляризации температуры". Серия дополнений к астрофизическому журналу . 148 (1): 161–173. arXiv : astro-ph / 0302213 . Bibcode : 2003ApJS..148..161K . DOI : 10.1086 / 377219 .
- ^ DN Spergel; и другие. (2007). "Трехлетние наблюдения зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP): значение для космологии". Серия дополнений к астрофизическому журналу . 170 (2): 377–408. arXiv : astro-ph / 0603449 . Bibcode : 2007ApJS..170..377S . DOI : 10.1086 / 513700 . S2CID 1386346 .
- ^ Planck Collaboration (2020). «Итоги Planck 2018. VI. Космологические параметры». Астрономия и астрофизика . 641 : А6. arXiv : 1807.06209 . Bibcode : 2020A & A ... 641A ... 6P . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201833910 . S2CID 119335614 .
- ^ Реннан Баркана и Авраам Леб (2005). «Обнаружение самых ранних галактик с помощью двух новых источников колебаний в 21 сантиметр». Астрофизический журнал . 626 (1): 1–11. arXiv : astro-ph / 0410129 . Bibcode : 2005ApJ ... 626 .... 1B . DOI : 10.1086 / 429954 . S2CID 7343629 .
- ^ MA Альварес; Уэ-Ли Пен; Цзы-Чинг Чанг (2010). «Повышенная обнаруживаемость предреионизационной структуры 21 см». Письма в астрофизический журнал . 723 (1): L17 – L21. arXiv : 1007.0001v1 . Bibcode : 2010ApJ ... 723L..17A . DOI : 10.1088 / 2041-8205 / 723/1 / L17 . S2CID 118436837 .
- ^ «Астрономы обнаруживают свет от первых звезд Вселенной» . 28 февраля 2018 . Проверено 1 марта 2018 .
- ^ "Хаббл снова открывает глаза" . www.spacetelescope.org . Проверено 17 декабря 2018 года .
- ^ a b Пьеро Мадау; и другие. (1999). «Перенос излучения в комковатой Вселенной. III. Природа космологического ионизирующего источника». Астрофизический журнал . 514 (2): 648–659. arXiv : astro-ph / 9809058 . Bibcode : 1999ApJ ... 514..648M . DOI : 10.1086 / 306975 . S2CID 17932350 .
- ^ Loeb & Barkana (2001). «В начале: первые источники света и реионизация Вселенной» . Отчеты по физике . 349 (2): 125–238. arXiv : astro-ph / 0010468 . Bibcode : 2001PhR ... 349..125B . DOI : 10.1016 / S0370-1573 (01) 00019-9 . S2CID 119094218 .
- ^ а б Р. Дж. Боувенс; и другие. (2012). «Галактики с меньшей светимостью могут реионизировать Вселенную: очень крутые слабые склоны к функциям УФ-светимости на z> = 5-8 по данным наблюдений HUDF09 WFC3 / IR». Письма в астрофизический журнал . 752 (1): L5. arXiv : 1105.2038v4 . Bibcode : 2012ApJ ... 752L ... 5В . DOI : 10.1088 / 2041-8205 / 752/1 / L5 . S2CID 118856513 .
- ^ a b c А. Э. Яскот и М. С. Оэй (2014). «Связывание Ly-альфа и низкоионизационных переходов на низкой оптической глубине». Письма в астрофизический журнал . 791 (2): L19. arXiv : 1406.4413v2 . Bibcode : 2014ApJ ... 791L..19J . DOI : 10.1088 / 2041-8205 / 791/2 / L19 . S2CID 119294145 .
- ^ a b c А. Верхамме; И. Орлитова; Д. Шерер; М. Хейс (2014). «Об использовании Lyman-alpha для обнаружения галактик, протекающих через континуум Lyman». arXiv : 1404.2958v1 [ astro-ph.GA ].
- ^ К. Накаджима & М. Оучи (2014). «Состояние ионизации межзвездной среды в галактиках: эволюция, зависимость SFR-M * -Z и вылет ионизирующих фотонов». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 442 (1): 900–916. arXiv : 1309.0207v2 . Bibcode : 2014MNRAS.442..900N . DOI : 10.1093 / MNRAS / stu902 . S2CID 118617426 .
- ^ a b Шеннон Холл (июль 2014 г.). "Карликовые галактики нанесли мощный удар" . Небо и телескоп . Проверено 30 января 2015 года .
- ^ JH Мудрый; и другие. (2014). «Рождение галактики - III. Стимулирующая реионизация с самыми слабыми галактиками». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 442 (3): 2560–2579. arXiv : 1403.6123v2 . Bibcode : 2014MNRAS.442.2560W . DOI : 10.1093 / MNRAS / stu979 . S2CID 92979534 .
- ^ Поль Шапиро и Марк Жиру (1987). «Космологические области H II и фотоионизация межгалактической среды». Астрофизический журнал . 321 : 107–112. Bibcode : 1987ApJ ... 321L.107S . DOI : 10.1086 / 185015 .
- ^ Сяоху Фань; и другие. (2001). «Обзор квазаров с z> 5,8 в обзоре неба Sloan Digital Sky. I. Открытие трех новых квазаров и пространственная плотность светящихся квазаров на z ~ 6». Астрономический журнал . 122 (6): 2833–2849. arXiv : astro-ph / 0108063 . Bibcode : 2001AJ .... 122.2833F . DOI : 10.1086 / 324111 . S2CID 119339804 .
- ^ Nickolay Гнедин и Иеремия Острайкер (1997). «Реионизация Вселенной и раннее производство металлов». Астрофизический журнал . 486 (2): 581–598. arXiv : astro-ph / 9612127 . Bibcode : 1997ApJ ... 486..581G . DOI : 10.1086 / 304548 . S2CID 5758398 .
- ^ Лимин Лу; и другие. (1998). «Содержание металла в облаках Лайман-альфа с очень низкой плотностью столбцов: влияние на происхождение тяжелых элементов в межгалактической среде». arXiv : astro-ph / 9802189 .
- ^ РАЭ Фосбери; и другие. (2003). «Массивное звездообразование в гравитационно линзированной галактике H II на z = 3,357». Астрофизический журнал . 596 (1): 797–809. arXiv : astro-ph / 0307162 . Bibcode : 2003ApJ ... 596..797F . DOI : 10.1086 / 378228 . S2CID 17808828 .
- ^ Джейсон Тумлинсон; и другие. (2002). «Космологическая реионизация первыми звездами: эволюционирующие спектры населения III». Материалы конференции ASP . 267 : 433–434. Bibcode : 2002ASPC..267..433T .
- ^ Апарна Венкатесан; и другие. (2003). "Эволюционирующие спектры звезд населения III: последствия для космологической реионизации". Астрофизический журнал . 584 (2): 621–632. arXiv : astro-ph / 0206390 . Bibcode : 2003ApJ ... 584..621V . DOI : 10.1086 / 345738 . S2CID 17737785 .
- ^ Марсело Альварес; и другие. (2006). «Область H II первой звезды». Астрофизический журнал . 639 (2): 621–632. arXiv : astro-ph / 0507684 . Bibcode : 2006ApJ ... 639..621A . DOI : 10.1086 / 499578 . S2CID 12753436 .
- ^ Собрал, Дэвид; Мэтти, Джоррит; Дарвиш, Бехнам; Шерер, Даниэль; Мобашер, Бахрам; Röttgering, Huub JA; Сантос, Сержио; Хеммати, Шубане (4 июня 2015 г.). «Доказательства наличия POPIII-подобных звездных популяций в наиболее ярких излучателях LYMAN-α в эпоху реионизации: спектроскопическое подтверждение». Астрофизический журнал . 808 (2): 139. arXiv : 1504.01734 . Bibcode : 2015ApJ ... 808..139S . DOI : 10,1088 / 0004-637x / 808/2/139 . S2CID 18471887 .
- ^ Overbye, Dennis (17 июня 2015). «Астрономы сообщают об обнаружении самых ранних звезд, обогативших Космос» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 17 июня 2015 года .
Внешние ссылки [ править ]
- Конец темных веков
- LOFAR EoR , веб-сайт группы, исследующей эпоху реионизации с помощью LOFAR.
- Официальный сайт PAPER , прецизионного массива для исследования эпохи реионизации
- Веб-сайт MIST , картографа спиновой температуры IGM
| vтеКосмология | ||
|---|---|---|
| Фон |
|  |
| История космологических теорий |
| |
| Прошлая вселенная |
| |
| Настоящая вселенная |
| |
| Вселенная будущего |
| |
| Составные части |
| |
| Формирование структуры |
| |
| Эксперименты |
| |
астрономический портал | ||
