Конец темных веков

Примерно до 400 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная была очень темным местом. Не было ни звезд, ни галактик. Космический телескоп Джеймса Уэбба пронзит эту завесу тайны и раскроет историю формирования первых звезд и галактик во Вселенной.

По мере расширения Вселенной после ее возникновения в результате Большого взрыва горячий суп из фундаментальных частиц (таких как свободные протоны и электроны) начал остывать. Это позволило электронам и протонам объединиться в пары и сформировать "нейтральные атомы водорода" (т. е. атомы водорода с одним электроном и одним протоном). Этот процесс объединения называется "Рекомбинацией", и он произошел примерно через 400 000 лет после Большого взрыва. Поскольку свободные электроны теперь были связаны с протонами, свет мог свободно распространяться, поскольку его больше не останавливало частое рассеяние свободных электронов.

В этот момент Вселенная из непрозрачной превратилась в прозрачную, и "эра рекомбинации" - это самый ранний момент в нашей космической истории, на который мы можем оглянуться при любой форме света. Это то, что мы видим как космический микроволновый фон сегодня с помощью спутников, таких как Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) и микроволновый анизотропный зонд Уилкинсона (WMAP).

Еще одно изменение произошло после образования первых звезд. Теория предсказывает, что первые звезды были в 30-300 раз массивнее нашего Солнца и в миллионы раз ярче, горели всего несколько миллионов лет, прежде чем взорваться как сверхновые. Мощный ультрафиолетовый свет от этих первых звезд был способен расщеплять атомы водорода обратно на электроны и протоны (или ионизировать их). Наблюдения спектров далеких квазаров говорят нам, что это произошло, когда Вселенной было почти миллиард лет.
Та эпоха, когда Вселенной было миллиард лет, известна как "эпоха реионизации". Это относится к моменту, когда большая часть нейтрального водорода была разрушена возрастающим излучением первых массивных звезд.

Реионизация является важным явлением в истории нашей Вселенной, поскольку она представляет собой одно из немногих средств, с помощью которых мы можем (косвенно) изучать эти самые ранние звезды. Но ученые не знают точно, когда сформировались первые звезды и когда начался процесс реионизации.
Появление этих первых звезд знаменует конец "Темных веков" в космической истории, периода, характеризующегося отсутствием отдельных источников света. Понимание этих первых источников имеет решающее значение, поскольку они оказали большое влияние на формирование более поздних объектов, таких как галактики. Первые источники света действуют как семена для последующего формирования более крупных объектов.

Кроме того, первые звезды, которые взорвались как сверхновые, могли еще больше разрушиться, образовав черные дыры. Черные дыры начали поглощать газ и другие звезды, превращаясь в объекты, известные как "мини-квазары", которые росли и сливались, превращаясь в огромные черные дыры, которые сейчас находятся в центрах почти всех массивных галактик.

Уэбб рассмотрит несколько ключевых вопросов, которые помогут нам разгадать историю формирования структур во Вселенной, таких как: Когда и как произошла реионизация?; Какие источники вызвали реионизацию?; Каковы первые галактики?

Чтобы найти первые галактики, Уэбб проведет сверхглубокие исследования Вселенной в ближнем инфракрасном диапазоне, а затем проведет спектроскопию низкого разрешения и фотометрию в среднем инфракрасном диапазоне (измерение интенсивности электромагнитного излучения астрономического объекта). Для изучения реионизации потребуется спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона высокого разрешения.