Кіріспе

Ғаламның ерте тарихында материяның қайта иондануына себеп болған процесс. Үлкен жарылыс теориясы мен космология салаларында қайта иондану – "қара ғасырлар" аяқталғаннан кейін ғаламдағы электрлік бейтарап атомдардың қайта иондануына себеп болған құбылыс. Қайта иондану – ғаламдағы газдың екі маңызды фазалық өзгеруінің екіншісі (біріншісі – рекомбинация). Ғаламдағы бариондық материяның көп бөлігі сутек және гелийден тұрса да, қайта иондану көбінесе сутектің, яғни элементтің қайта иондануын білдіреді. Алғашқы гелий де осыған ұқсас қайта иондану фазасын бастан өткерген деп саналады, бірақ ғалам тарихының басқа кезеңдерінде. Бұл гелийдің қайта иондануы деп аталады.

Өмірбаян

Сутегінің ғаламдағы алғашқы фазалық өзгеруі рекомбинация болды, ол z = 1089 қызыл жылжу кезінде болды (Ұлы жарылыстан кейін 379 000 жыл), себебі ғаламның суынуы нәтижесінде электрондар мен протондардың рекомбинациясы бейтарап сутегін қалыптастыру үшін реионизация жылдамдығынан жоғары болды. Ғалам рекомбинацияға дейін фотондардың (барлық толқын ұзындығы) еркін электрондардан (және еркін протондардан, айтарлықтай аз дәрежеде) шашырауы салдарынан мөлдір емес болды, бірақ көбірек электрондар мен протондар қосылып, бейтарап сутек атомдарын құраған сайын мөлдір бола бастады. Бейтарап сутегінің электрондары кейбір толқын ұзындықтарындағы фотондарды сіңіре алады, қозған күйге көтеріліп, бірақ бейтарап сутектен толы ғалам тек сіңірілген толқын ұзындықтарында ғана салыстырмалы түрде мөлдір болмайды, ал спектрдің көп бөлігінде мөлдір болады. Ғаламның қараңғы дәуірі осы сәтте басталады, себебі жарық көздері болған жоқ, тек бірте-бірте қызылға жылжуға ұшыраған ғарыштық фондық сәулеленуден басқа. Екінші фазалық өзгеру ғаламның алғашқы кезеңінде газ бұлттары конденсациялана бастаған кезде болды, олар бейтарап сутекті қайта иондауға жеткілікті энергияға ие болды. Бұл нысандар энергияны бөліп шығара бастағанда, ғалам бейтарап атомдардан құралғаннан кейін қайтадан иондалған плазмаға айналды. Бұл Үлкен жарылыстан кейін 150 миллионнан бір миллиард жылға дейін (20 > z > 6 қызыл жылжу кезінде) болды. Алайда сол кезде материя ғаламның кеңеюімен таралып, фотондар мен электрондардың шашырауы электрондар мен протондардың рекомбинациясына қарағанда әлдеқайда сирек болды. Осылайша, ғалам төмен тығыздықтағы иондалған сутектен толы болды және бүгінгідей мөлдір болып қалды.

Анықтау әдістері

Ғаламның тарихына осы шамаға дейін көз жүгізгенде, бірқатар байқауға қатысты қиындықтар туындайды. Дегенмен, реионизацияны зерттеу үшін қолданылатын бірнеше байқау әдістері бар.

Квазарлар мен Ганн-Петерсон сусауыты

Реионизацияны зерттеудің бір жолы алыс квазарлардың спектрлерін қолдану болып табылады. Квазарлар ғаламдағы ең жарқын денелердің бірі болып, өте көп энергия бөліп шығарады. Осының салдарынан, кейбір квазарлар реионизация дәуірінен бастап-ақ анықталуы мүмкін. Квазарлардың аспандағы орнына немесе Жерден қашықтығына қарамастан, олардың спектральдық ерекшеліктері салыстырмалы түрде біркелкі болады. Сондықтан, квазарлардың спектрлері арасындағы кез келген маңызды айырмашылықтар, олардың сәулеленуінің көру сызығындағы атомдармен өзара әрекеттесуінен туындаған болуы мүмкін. Сутегінің Лайман өтулерінің біріне сәйкес келетін энергиядағы жарық толқындары үшін шашырау қимасы жоғары, яғни галактикааралық ортада (IGM) бейтарап сутегінің төмен деңгейлері болған жағдайда да, сол толқын ұзындықтарында сіңірудің болуы өте ықтимал. Жақын орналасқан денелер үшін спектральдық сіңіру сызықтары өте жіңішке болады, себебі атомдық өтуді тудыруға жеткілікті энергиясы бар фотондар ғана осы өтуді тудыра алады. Дегенмен, квазарлар мен оларды анықтайтын телескоптар арасындағы қашықтық өте үлкен, ал ғаламның кеңеюі жарықтың қызылға қарай ығысуына (redshifting) алып келеді. Бұл, квазардан шыққан жарық IGM арқылы өтіп, қызылға ығысқанда, Лайман-альфа шегінен төмен болған толқын ұзындықтары созылып, Лайман сіңіру аймағын толықтырады. Яғни, өткір спектральдық сіңіру сызықтарын көрсетудің орнына, бейтарап сутегінің кең аймағынан өткен квазардың жарығы Ганн-Петерсон шұңқырын көрсетеді. Квазардың қызылға ығысуы реионизация туралы уақытша ақпарат береді. Дененің қызылға ығысуы оның жарық шығарған сәтіне сәйкес келетіндіктен, реионизацияның қашан аяқталғанын анықтауға болады. Белгілі бір қызылға ығысудан төменгі квазарлар (ғарыш пен уақыт бойынша жақын) Ганн-Петерсон шұңқырын көрсетпейді (бірақ Лайман-альфа орманын көрсетуі мүмкін), ал реионизациядан бұрын жарық шығарған квазарлар Ганн-Петерсон шұңқырын көрсетеді. 2001 жылы Sloan Digital Sky Survey (Слоан цифрлық аспан зерттеуі) төрт квазарды z = 5.82 және z = 6.28 аралығындағы қызылға ығысулармен анықтады. z = 6-дан жоғарығы квазарлар Ганн-Петерсон шұңқырын көрсетті, бұл IGM әлі де кем дегенде жартылай бейтарап екенін көрсетеді, ал төменгілері көрсетпеді, яғни сутегі иондалған. Реионизацияның салыстырмалы түрде қысқа уақыт ішінде жүруі күтілуде, сондықтан бұл нәтижелер ғаламның z = 6 кезінде реионизацияның соңына жақындағанын көрсетеді. Бұл өз кезегінде, z > 10 кезінде ғаламның әлі де толығымен бейтарап болуы керек екенін көрсетеді. Екінші жағынан, Лайман-альфа және Лайман-бета ормандарында z < 5.5 дейін созылатын ұзақ сіңіру шұңқырлары реионизацияның z = 6-дан кейін де жүруі мүмкін екенін көрсетеді.

CMB анизотропиясы мен поляризациясы

Анизотропияны ғаламдық микротолқындық фонды әр түрлі бұрыштық масштабтарда реионизацияны зерттеу үшін де пайдалануға болады. Фотондар бос электрондар бар болғанда, Томсон шашырауы деп аталатын процесте шашырауға ұшырайды. Дегенмен, ғалам кеңейген сайын бос электрондардың тығыздығы төмендейді және шашырау сирек бола бастайды. Реионизация кезінде және одан кейін, бірақ электрон тығыздығын жеткілікті түрде төмендету үшін маңызды кеңею жүрмес бұрын, КМБ құрайтын жарық байқалатын Томсон шашырауына түседі. Бұл шашырау КМБ анизотропия картасында із қалдырады, екінші анизотропияларды (рекомбинациядан кейін туындаған анизотропиялар) енгізеді. Жалпы әсері – кіші масштабтағы анизотропияларды жою болып табылады. Кіші масштабтағы анизотропиялар жойылса, реионизация нәтижесінде поляризациялық анизотропиялар пайда болады. Байқалған КМБ анизотропияларын қарастырып, реионизация болмаған жағдайда олар қалай көрінер еді дегенмен салыстыру арқылы реионизация кезінде электрон бағанының тығыздығын анықтауға болады. Осыдан кейін ғаламның реионизация қай уақытта болғанын есептеуге болады. Уилкинсон микротолқындық анизотропиялық зонды осы салыстыруды жасауға мүмкіндік берді. 2003 жылы жарияланған алғашқы байқаулар реионизация 30 > z > 11 аралығында болғанын көрсетті. Бұл қызыл жылжу диапазоны квазар спектрлерін зерттеу нәтижелерімен сәйкес келмеді. Алайда, үш жылдық WMAP деректері басқа нәтиже берді: реионизация z = 11-де басталды және ғалам z = 7-ге дейін иондалды. Бұл квазар деректерімен жақсырақ сәйкес келеді. 2018 жылғы Planck миссиясының нәтижелері z = 7.68 ± 0.79 реионизациялық қызыл жылжуды көрсетті. Мұнда әдетте келтірілетін параметр – τ, «реионизацияға оптикалық тереңдік» немесе реионизацияның қызыл жылжуы zre, егер ол бірден болған оқиға деп есептелсе. Бұл физикалық тұрғыдан ықтимал емес, өйткені реионизация бірден болмаған, бірақ zre реионизацияның орташа қызыл жылжуының бағасын береді.

21 см сызық

Квазар деректері КМБ анизотропиясы деректерімен шамамен келіскенмен, әлі де бірқатар сұрақтар бар, әсіресе реионизацияның энергия көздері және реионизация кезінде құрылымның қалыптасуына тигізетін әсері мен оның рөліне қатысты. Сутектегі 21 см сызық осы кезеңді, сондай-ақ реионизацияға дейінгі "қара ғасырларды" зерттеуге мүмкіндік береді. 21 см сызық нейтральды сутекте электрон мен протонның спиндік үштік және спиндік бірлік күйлері арасындағы энергия айырмашылығына байланысты пайда болады. Бұл ауысу тыйым салынған, яғни өте сирек болады. Бұл ауысу температураға да тәуелді, сондықтан "қара ғасырларда" нысандар пайда болып, айналасындағы нейтральды сутектен сіңіріліп, қайта шығарылатын Лайман-альфа фотондарын шығарғанда, Воутхайзен өрісімен байланысу арқылы сол сутекте 21 см сызықтық сигнал тудырады. 21 см сызықтың сәуле шығаруын зерттеу арқылы ертеде қалыптасқан құрылымдар туралы көбірек білуге болады. Реионизация дәуірінің жаһандық сигналын анықтауға арналған эксперимент (EDGES) осы дәуірден келген сигналды көрсетсе де, оны растау үшін қосымша бақылаулар қажет. Жақын болашақта бірнеше басқа жобалар да осы салада үлкен жетістіктерге қол жеткізуді үміттенеді, мысалы, реионизация дәуірін зерттеуге арналған дәлдік массиві (PAPER), төмен жиілікті массив (LOFAR), Мерчисон кең өрісті массиві (MWA), Гигант метрлік толқындық радиотелескоп (GMRT), IGM спин температурасының картасы (MIST), Қараңғы дәуірлерді зерттеуге арналған радио миссиясы (DARE) және Қараңғы дәуірлерді анықтауға арналған үлкен апертуралық эксперимент (LEDA).

Энергия көздері

Қайта иондану дәуірінің болу мүмкін болған уақыт аралығын қысқартатын байқаулар жасалғанымен, IGM-ді қайта иондаған фотондарды қандай объектілер бергені әлі белгісіз. Нейтралды сутекті иондау үшін 13,6 эВ-тан артық энергия қажет, бұл 91,2 нм немесе одан қысқа толқын ұзындығына ие фотондарға сәйкес келеді. Бұл электромагниттік спектрдің ультракөк сәуле бөлігі, демек, негізгі үміткерлер ультракөк сәуле және одан жоғары энергияны көп мөлшерде шығаратын барлық көздер. Көздердің саны да, сондай-ақ олардың қызмет ету ұзақтығы да ескерілуі керек, себебі энергия үздіксіз берілмесе, протондар мен электрондар қайта бірігіп кетеді. Барлық қарастырылатын көздер үшін маңызды параметрді «космологиялық көлемнің бірлігіне шаққандағы сутекті иондауға қабілетті фотондардың шығарылу деңгейі» деп қорытындылауға болады. Осы шектеулерге сәйкес, квазарлар, алғашқы буын жұлдыздары мен галактикалар энергияның басты көздері болды деп күтілуде.

Карлик галактикалар

Қазіргі уақытта карлик галактикалар реионизация дәуірінде иондаушы фотондардың басты көзі деп есептеледі. Көптеген сценарийлер бойынша, бұл УФ-галактиканың жарық функциясының логарифмдік еңістігінің (көбінесе α деп белгіленеді) бүгінгіге қарағанда тік болуын талап етеді, α = 2-ге жуықтап келеді, бұл галактикалардың әлсіз, төмен массалы популяциясына тиімді шектеулер қоюға мүмкіндік береді. 2014 жылы екі тәуелсіз зерттеу екі Green Pea галактикасын (GP) Лайман континуумының (LyC) шығаруға қабілетті үміткерлер ретінде анықтады. GP сияқты ықшам жұлдыз құрайтын галактикалар, жоғары қызыл жылдамдыққа ие Lyman alpha және LyC эмитенттерінің (сәйкесінше LAE және LCE) төмен қызыл жылдамдыққа ие аналогтары болып саналады. Сол кезде тек екі LCE белгілі болды: Харо 11 және Тололо 1247 232. Сондықтан жергілікті LyC эмитенттерін табу ерте Ғалам және реионизация дәуірі туралы теориялар үшін өте маңызды болды. Бұл күш-жігерлер төмен қызыл жылдамдыққа ие Лайман континуумы зерттеуімен аяқталды – бұл үлкен HST/COS бағдарламасы, карлик галактикалардан LyC-ті тікелей өлшеу санын үш есеге жуық арттырды. Бүгінгі күні HST/COS арқылы кем дегенде 50 LCE расталды. JWST-тың жаңа байқауларымен LCE популяциялары қазір 6-дан жоғары космологиялық қызыл жылдамдықтарда зерттелуде, бұл ғарыштық реионизацияның пайда болуын егжей-тегжейлі және тікелей бағалауға алғаш рет мүмкіндік береді. Бұл үлкен галактикалар үлгілерін УФ-жарық функциясына жаңа шектеулермен біріктіру карлик галактикалардың реионизацияға басым үлес қосатынын көрсетеді.

Квазарлар

Квазарлар, белсенді галактикалық ядролардың (AGN) бір класы, массаны энергияға өте тиімді түрлендіретіндіктен және сутекті иондау шегінен артық жарық шығаратындықтан, жақсы кандидат көз болып саналды. Дегенмен, реионизацияға дейін қанша квазар болғаны белгісіз. Реионизация кезінде болған ең жарқын квазарлар ғана анықталуы мүмкін, демек, сол кезде болған әлсіз квазарлар туралы тікелей мәлімет жоқ. Бірақ, жақын ғаламдағы оңай байқалатын квазарларды қарастырып, реионизация кезіндегі жарықтық функциясы (жарықтылыққа байланысты квазарлар саны) бүгінгідей болады деген болжаммен, ертерек уақыттағы квазарлар популяциясын бағалауға болады. Осындай зерттеулер квазарлардың саны жалғыз ИГМ-ді реионизациялау үшін жеткіліксіз екенін көрсетті, сондай-ақ "егер иондау фоны төмен жарықты АГН-лермен басым болса ғана квазардың жарықтық функциясы жеткілікті иондау фотондарын ұсынуы мүмкін" делінеді.

III популяция жұлдыздары

III популяция жұлдыздары – сутек пен гелийден ауыр элементтері жоқ ең алғашқы жұлдыздар болды. Үлкен жарылыс кезіндегі ядролық синтез барысында сутек пен гелийден басқа тек литийдің аздаған мөлшері ғана пайда болды. Дегенмен, квазарлардың спектрлері ерте заманда галактикааралық кеңістікте ауыр элементтердің бар екенін көрсетті. Суперновалық жарылыстар осы ауыр элементтерді жасайды, сондықтан ыстық, үлкен III популяция жұлдыздары, суперноваға айналатын жұлдыздар, реионизацияның мүмкін механизмі болып табылады. Олар тікелей байқалмаған, бірақ сандық модельдер мен қазіргі бақылауларға сәйкес келеді. Гравитациялық линзалық галактика да III популяция жұлдыздарының жанама дәлелін ұсынады. III популяция жұлдыздарын тікелей байқамасақ та, олар маңызды көз болып табылады. Олар II популяция жұлдыздарына қарағанда тиімдірек иондаушылар, себебі олар көбірек иондаушы фотондарды шығарады және кейбір реионизация модельдерінде ақылға қонымды бастапқы массалық функциялармен сутекті өздігінен иондауға қабілетті. Осының салдарынан, III популяция жұлдыздары қазіргі уақытта ғаламның реионизациясын бастау үшін ең мүмкін энергия көзі деп есептеледі, бірақ басқа көздер де реионизацияны аяқтауға қатысқан болуы мүмкін. 2015 жылдың маусым айында астрономдар Космос қызыл ығысу 7 галактикасында III популяция жұлдыздарының болуына дәлелдер келтірді. Мұндай жұлдыздар өте ерте ғаламда (яғни жоғары қызыл ығысуда) болған болуы мүмкін және планеталар мен бізге белгілі өмірдің пайда болуына қажетті сутектен ауыр химиялық элементтердің өндірісін бастаған болуы мүмкін.