Реіонізація

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Реіонізація — космологічна епоха повторної після Великого вибуху іонізації матерії у Всесвіті, яка сталася після темних століть, і є другим з двох основних фазових переходів газу водню у Всесвіті. Оскільки більшість баріонної речовини існує у вигляді водню, реіонізація звичайно відноситься до процесу повторної іонізації газоподібного водню. Первинний гелій у Всесвіті пройшов ті ж фазові зміни, але в інші епохи, і як правило, його називають реіонізацією гелію.

Основні положення[ред.ред. код]

Схематична часова лінія всесвіту, зображає місце реіонізаціі в космічній історії.

Перша фазова зміна водню у Всесвіті була рекомбінаційна, яка сталася на червоному зсуві z = 1089 (379,000 років після Великого Вибуху), через охолодження Всесвіту до точки, де енергія потрібна для рекомбінації електронів і протонів була вищою, щоб сформувати нейтральний водень, ніж для реіонізації. Всесвіт був непрозорим до рекомбінації, у зв'язку з розсіюванням фотонів (всіх довжин хвиль) від вільних електронів (і в значно меншій мірі, вільних протонів), але він став більш прозорим, тому що більшість електронів і протонів утворили нейтральний атом водню. У той час, як електрони у нейтральному водню можуть поглинати фотони деяких довжин хвиль, перейшовши в збуджений стан, всесвіт сповнений нейтральним воднем буде відносно непрозорим тільки в тих довжинах хвиль, що поглинаються, але прозорим в більшій частині спектру. Темні століття почались в той момент, бо не було джерел світла, крім поступово затемненого космічного фонового випромінювання.

Друга фазова зміна почалась між 150 млн і одним мільярдом років після Великого Вибуху (на червоному зсуві 6 < z <20, коли об'єкти, які почали конденсуватися в ранньому Всесвіті мали достатньо енергії, щоб іонізувати нейтральний водень. Коли ці об'єкти формувались, вони випромінювали енергію, всесвіт повернувся від нейтрального, щоб ще раз бути іонізованою плазмою. Повернення речовини міжгалактичного простору в стан плазми відбулося внаслідок інтенсивного жорсткого ультрафіолетового випромінення (англ. far ultraviolet) масивних зірок у галактиках, яке спромоглося покинути галактики[1][2]. Тим часом, незалежно від того, матерія була розсіяна розширенням Всесвіту, і розсіюча взаємодія фотонів і електронів відбувалась набагато рідше, ніж раніша електрон-протонна рекомбінація.

Методи виявлення[ред.ред. код]

Озираючись назад, досі історія Всесвіту представляла собою деякі проблеми при спостережні. Однак є, кілька методів спостережень для вивчення часу коли відбувалась реіонізація.

Квазари і жолоб Ганна-Петерсона[ред.ред. код]

Одним із способів вивчення реіонізаціі є використання спектрів далеких квазарів. Квазари випустити величезний обсяг енергії, що означає, що вони є одними з найяскравіших об'єктів у Всесвіті. У результаті, деякі квазари виявляються, ще в епоху реіонізації. Квазари також, трапляється, мають відносно однорідні спектральні особливості, незалежно від їх положення в небі чи відстані від Землі. Таким чином, можна зробити висновок, що які-небудь серйозні відмінності між спектрами квазарів буде викликано взаємодією їх випромінювання з атомами уздовж лінії свічення. Для довжин хвиль світла при енергіях одного з Лаймана переходів атома водню, ефективний переріз розсіювання, означає, що навіть при низьких рівнях нейтрального водню в міжгалактичної середовищі, поглинання на тих довжинах хвиль досить ймовірно.
Для близьких об'єктів у Всесвіті, спектральні лінії поглинання дуже гострі, а тільки фотони досягнуть енергію достатню, щоб викликати перехід атома то це перехід відбудеться. Тим не менш, відстані між квазарами і телескопами, які виявляють їх досить великі, що означає, що розширення Всесвіту призводить, що світло піддається помітному червоному зсуві. Це означає, що світло від квазара проходить через міжгалактичне середовище і зміщується в червону область, довжини хвиль якого були вище межі Лаймана, і в силу починають заповнювати смугу поглинання Лаймана. Це означає, що замість того щоб показувати гострі спектральні лінії поглинання, світло квазара, яке подорожував через великий, поширену область нейтрального водню покаже гало Ганна-Петерсона.[3]
Червоний зсув для конкретного квазара забезпечує часову інформацію про реіонізацію. Червоне зміщення об'єкта відповідає часу, в який він випромінив світло, з нього можна визначити, коли закінчилась реіонізація. Квазари нижче певного червоного зсуву (ближче в часі і просторі) не показують гало Ганна-Петерсона (хоча вони можуть показати ліс Лайман-альфа), в той час як квазари, що випромінюють світло до реіонізації будуть представлені галом Ганна-Петерсона. У 2001 році, були виявлені чотири квазари (в Слоанівському цифровому огляді неба) з червоними зсувами, починаючи від z = 5,82 до z = 6,28. Хоча наведені вище z = 6 квазари показали жолоб Ганна-Петерсона, вказуючи, що все ще міжгалактичний простір принаймні частково нейтральний, ті що нижче не мають його, тобто іонізували водень. Якщо реіонізація є очікувана, то вона відбудеться протягом відносно короткого часу, результати показують, що Всесвіт наближається до кінця реіонізації при z = 6.[4] Це, у свою чергу, робить припущення, що Всесвіт повинен бути майже повністю нейтральним z > 10.

Анізотропія реліктового випромінювання і поляризації[ред.ред. код]

Анізотропія космічного мікрохвильового фону при різних кутових масштабах може бути також використане для вивчення реіонізації. Фотони піддаються розсіянню, коли присутні вільні електрони, в процесі, відомому як Томсонівське розсіювання. Однак, у міру розширення Всесвіту, щільність вільних електронів буде зменшуватися, і розсіювання буде відбуватися рідше. У період під час і після реіонізаціі, але перш, ніж істотне розширення відбулося щоб в достатній мірі знизити щільність електронів, світло, що складає реліктвое випромінювання буде зазнавати Томсонівське розсіювання. Це розсіювання буде залишити свій слід на мапі анізотропії реліктового випромінювання, представляючи вторинну анізотропію (анізотропію, введену після рекомбінації).[5] Загальний ефект, стирання анізотропії, які відбуваються на менших масштабах. У той час як анізотропія в малих масштабах стирається, поляризаційна анізотропії фактично запроваджена з реіонізації.[6] Дивлячись на анізотропію реліктового випромінювання, що спостерігаються та порівняння з тим, як вона буде виглядати коли реіонізація б не сталась, може бути визначена щільність електронів. При цьому, може бути розрахований час коли відбулася реіонізація.

WMAP допускає, що порівняння буде зроблено. Початкові спостереження, випущені в 2003 році, припускають, що реіонізація відбулася з 11 < Z <30.[7] Цей діапазон червоного зсуву неузгоджується з результатами від вивчення спектрів квазарів. Проте, трьох річні дані WMAP повертають інший результат, з реіонізації починаючи z = 11 і всесвіту іонізованого з z = 7.[8] Що набагато краще узгоджується з даними від квазарів.

Джерела Енергії[ред.ред. код]

У той час як спостереження намагаються звузити вікно, щоб визначити час протягом якого епоха реіонізації могла статися, досі неясно, які об'єкти за умови, фотони, які реалізуються в Міжгалактичному просторі. Для іонізації нейтрального водню, вимагається енергія більша ніж 13,6 еВ, що відповідає фотонам з довжиною хвилі 91,2 нм або коротшу.

Примітки[ред.ред. код]

  1. Izotov, Y. I., Orlitová, I., Schaerer, D., Thuan, T. X., Verhamme, A., Guseva, N. G., Worseck, G. (2016/01/14). Eight per cent leakage of Lyman continuum photons from a compact, star-forming dwarf galaxy. Nature 529 (7585) (Nature Publishing Group, a division of Macmillan Publishers Limited). с. 178—180. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature16456. 
  2. Юрий Марченко (18 січня 2016). Что мы наделали: чем Украина уже может гордиться в 2016-м году. Platfor.ma. Процитовано 06 серпня 2017. 
  3. J.E. Gunn (1965). On the Density of Neutral Hydrogen in Intergalactic Space. The Astrophysical Journal 142. с. 1633–1641. doi:10.1086/148444. 
  4. R.H. Becker (2001). Evidence For Reionization at z ~ 6: Detection of a Gunn-Peterson Trough In A z=6.28 Quasar. Astronomical Journal 122 (6). с. 2850–2857. Bibcode:2001AJ....122.2850B. arXiv:astro-ph/0108097. doi:10.1086/324231. 
  5. Manoj Kaplinghat (2003). Probing the Reionization History of the universe using the Cosmic Microwave Background Polarization. The Astrophysical Journal 583 (1). с. 24–32. Bibcode:2003ApJ...583...24K. arXiv:astro-ph/0207591. doi:10.1086/344927. 
  6. O. Dore (2007). Signature of patchy reionization in the polarization anisotropy of the CMB. Physical Review D 76 (4). Bibcode:2007PhRvD..76d3002D. arXiv:astro-ph/0701784v1. doi:10.1103/PhysRevD.76.043002. 
  7. A. Kogut (2003). First Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Temperature-Polarization Correlation. The Astrophysical Journal Supplement Series 148 (1). с. 161–173. Bibcode:2003ApJS..148..161K. arXiv:astro-ph/0302213. doi:10.1086/377219. 
  8. D.N. Spergel (2006). Three-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Implications for Cosmology. The Astrophysical Journal Supplement Series 170 (2). с. 377–408. Bibcode:2007ApJS..170..377S. arXiv:astro-ph/0603449. doi:10.1086/513700.