Астрономы пытаются заполнить пустые страницы истории Вселенной

Cовременная космология стремится воссоздать историю Вселенной. Уже проводится исследование реликтового излучения, а в следующем десятилетии NASA планирует вывести на орбиту Космический Телескоп Джеймса Уэбба (JWST), способный наблюдать ранние галактики. Но огромный промежуток времени между возникновением реликтового излучения и образованием первых звезд остается неизведанным.
По следам ионизации. Согласно теории Большого взрыва, на начальном этапе эволюции Вселенную заполняла горячая плазма, состоящая из хаотично перемещающихся протонов, электронов, фотонов и небольшого количества других частиц. Электроны взаимодействовали с фотонами путем томсоновского рассеяния.
Вселенная расширялась и охлаждалась. Когда температура упала до 3000 К (градусов Кельвина), протоны и электроны объединились, образовав электрически нейтральные атомы водорода. Томсоновское рассеяние прекратилось, а фотоны перестали интенсивно взаимодействовать с материей и постепенно превратились в микроволновый фон.
Однако большая часть Вселенной все еще существует в состоянии плазмы и расположена в глубинах межгалактического пространства. Изучаемые спектры самых отдаленных и, следовательно, самых старых из известных нам квазаров, галактик и взрывов гамма-излучения указывают на то, что рассеянный космический водород был полностью ионизирован, когда Вселенной было около 1 млрд. лет. Дальнейшие исследования показали, что реликтовое излучение немного поляризовано, а степень поляризации указывает на то, что весь водород был поляризован уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Однако, когда «темная эпоха» космоса подошла к концу, атомы разделились на составляющие их протоны и электроны. Значит, произошла повторная ионизация.
Большинство исследователей связывает этот процесс с появлением первого поколения звезд. Для ионизации атома водорода требуется энергия эквивалентная 13,6 эВ. Поэтому, если бы всего одна миллионная газа во Вселенной подверглась ядерному синтезу, выделилось бы достаточное количество энергии, чтобы ионизировать весь остальной газ. Существует и другая версия, согласно которой вещество, поглощаемое черными дырами, испускает ионизирующее излучение. При этом освобождается 1016 Дж/кг, следовательно, выделения энергии одной стотысячной части космического водорода достаточно для полной ионизации.
Звезды и черные дыры рождаются в пределах галактик, поэтому повторная ионизация могла произойти только после их образования. Теоретически формирование галактик началось, когда плотность некоторых областей Вселенной увеличилась, и под действием собственной гравитации произошло «стягивание» вещества.