Галактики. Большой путеводитель по Вселенной

Пока это происходило, небольшие флуктуации плотности в распределении вещества начали привлекать больше материала – как темной, так и «нормальной» материи. Это и был момент начала формирования галактик: нейтральный газ стал перетекать в избыточные плотности, растущие в области материи. Там, где газ объединился с первыми гало темной материи, образовались протогалактики. После прохождения критической точки, когда плотность газа стала достаточно большой, чтобы запустить ядерный синтез в первичном (безметалловом) газе, протогалактики начали формировать звезды. Как только это произошло, первые звезды залили окружающее пространство фотонами, освещающими окружающий нейтральный газ. Некоторые из этих фотонов (ультрафиолетовые) были достаточно энергичны, чтобы удалять электроны из атомов нейтрального водорода, реионизируя их. Считается, что рост сверхмассивных черных дыр, которые начали образовываться вскоре после появления первого звездного поколения, также способствует прогрессии ре-ионизации, поскольку они излучают энергию при аккреции вещества. Вы можете воспринимать этот процесс как эпидемию чумы: пузырьки ионизированного газа раздуваются вокруг ярких молодых галактик, пронизывая почти все пространство. Вот почему эра называется эпохой реионизации: Вселенная через нейтральную фазу вышла из начального состояния полной ионизации, а затем снова была ионизирована при запуске первых галактик.

На изображении из проекта «Моделирование “Милленниум”» представлена одна из симуляций поведения холодного темного вещества с очень большим числом частиц. Учитывая космологическую модель, моделирование отслеживает эволюцию темной материи с самого начала. Здесь показано современное выделение темной материи вокруг массивного гало (скопления галактик): видимость – почти 100 млн пк, типичный кусок Вселенной, где более яркие цвета соответствуют более высокой плотности темной материи. Галактики внутри таких гало с центральной массивной структурой могут содержать много отдельных систем (отличный пример – скопление Кома). Хорошо видны распределение материи в космической сети и иерархическая структура. Наша текущая модель возникновения галактик предполагает, что галактики формируются в результате охлаждения первоначального газа в гало темной материи и последующего образования звезд. Формирование галактики – очень сложный комплексный процесс, в котором задействована сложная физика; понимание затрудняет и то, что мы все еще не понимаем истинную природу самой темной материи

Сегодня эпоха реионизации находится за пределами нашего понимания, но не полностью: мы очень близки к тому, чтобы научиться правильно ее наблюдать. Через несколько лет новые наблюдения в радиоволновом диапазоне предоставят нам данные, которые позволят точно определить это изменение Вселенной (так как пока мы не знаем, когда произошла реионизация и сколько времени это заняло). Мы сможем обнаружить сигнатуру выброса нейтрального водорода (волна длиной 21 см, о которой мы говорили) при очень высоком красном смещении там, где ожидается реионизация (в зоне красного смещения десяти или нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва), поскольку эта линия подвергается красному смещению в низкочастотную часть радиоспектра. Но наблюдать это трудно, потому что сигнал очень слаб. Поэтому бо́льшая часть исследований в этой области проводится в теории: что мы ожидаем увидеть, учитывая текущие модели? Один из основных компонентов современной астрономии – использование мощных компьютерных моделей и симуляций для развития нашего понимания и разработки гипотез о том, как работает Вселенная.

Глава 5 Модели мира

Если перейти к опасным обобщениям, то можно заметить, что астрономы делятся на две категории: наблюдатели и теоретики. Последние занимаются в основном созданием и тестированием моделей Вселенной или ее фрагментов (например, галактик) и пытаются понять, как конкретный астрофизический процесс работает, начиная с самых первых законов. Если нам не хватает знаний о функционировании природы (например, об образовании галактик), теоретик должен придумать правдоподобную модель, которая сможет предложить объяснение. Эти модели сравниваются с эмпирическими данными, что позволяет увидеть, работают ли они. За эту часть отвечают, конечно, астрономы-наблюдатели.