Przez setki milionów lat Wszechświat nie miał gwiazd, a potem pierwsze światło zmieniło kosmiczny gaz
Po uwolnieniu mikrofalowego promieniowania tła Wszechświat wszedł w epokę nazywaną ciemnymi wiekami. Nie istniały jeszcze gwiazdy, a neutralny wodór i hel nie tworzyły jasnych źródeł światła widzialnego. Grawitacja stopniowo wzmacniała jednak pierwotne nierówności gęstości, aż w najgęstszych obszarach zapaliły się pierwsze gwiazdy i zaczęły powstawać galaktyki. Ich wysokoenergetyczne promieniowanie ponownie jonizowało wodór w przestrzeni międzygalaktycznej. Proces ten, zwany rejonizacją, nie wydarzył się jednocześnie wszędzie: jonizowane „bąble” rosły wokół źródeł i z czasem wypełniły większość kosmosu. To przejście zakończyło kosmiczne ciemne wieki i zmieniło przejrzystość Wszechświata.
Ciemne nie znaczy nieistniejące
Po rekombinacji materia była już w dużej mierze neutralna, a CMB swobodnie podróżowało przez przestrzeń. Nie było jednak jeszcze gwiazd. Wszechświat zawierał wodór, hel, ciemną materię i niewielkie zaburzenia gęstości, ale nie miał jasnych punktowych źródeł podobnych do tych, które dominują dzisiejsze niebo. Termin „ciemne wieki” odnosi się właśnie do braku gwiazdowego światła, nie do absolutnego braku promieniowania. CMB nadal wypełniało przestrzeń, tylko szybko stawało się chłodniejsze wskutek ekspansji.
Grawitacja pracowała w ciemności
Niewidoczna struktura ciemnej materii zaczęła rosnąć jeszcze wcześniej, tworząc studnie grawitacyjne. Po rekombinacji zwykły gaz, już mniej związany z promieniowaniem, mógł wpadać do tych zagęszczeń. W odpowiednio masywnych obszarach chłodził się i zapadał, aż powstały pierwsze gwiazdy. Szczegóły ich mas i momentu powstania są aktywnym polem badań, ale ogólny obraz jest dobrze zakorzeniony: pierwsze źródła światła pojawiły się setki milionów lat po Wielkim Wybuchu, nie od razu po CMB.
Pierwsze gwiazdy zmieniały nie tylko wygląd nieba
Młode, gorące gwiazdy emitowały dużo promieniowania ultrafioletowego zdolnego wyrywać elektrony z neutralnego wodoru. Podobny wkład mogły wnosić rosnące czarne dziury i inne źródła w młodych galaktykach. Wokół nich powstawały obszary zjonizowanego gazu. Początkowo były małymi wyspami w morzu neutralnego wodoru, potem łączyły się i rosły. Dlatego rejonizacja była przestrzennie niejednorodnym procesem, a nie jednym kosmicznym przełącznikiem światła.
Skąd wiemy, że rejonizacja zaszła?
Ślady znajdują się w kilku rodzajach danych. Widma bardzo odległych kwazarów pokazują, jak neutralny wodór pochłania promieniowanie na charakterystycznych długościach fal. CMB zachowuje ślad rozpraszania fotonów na elektronach uwolnionych podczas rejonizacji, szczególnie w polaryzacji. Coraz głębsze obserwacje galaktyk i linii emisyjnych pozwalają natomiast badać, jak zmieniała się neutralność gazu wraz z redshiftem. Żaden pojedynczy pomiar nie daje całego filmu, ale razem ograniczają czas i przebieg procesu.
Dlaczego rejonizacja nie cofnęła Wszechświata do dawnej mgły?
Przed rekombinacją gęstość elektronów i fotonów była ogromna, a promieniowanie rozpraszało się tak często, że kosmos był nieprzezroczysty. Podczas rejonizacji wodór rzeczywiście znów stracił elektrony, ale Wszechświat był już znacznie bardziej rozrzedzony. Fotony mogły więc pokonywać duże odległości mimo obecności zjonizowanej materii. To ważny niuans: „zjonizowany” nie znaczy automatycznie „nieprzezroczysty”. Liczy się również gęstość i częstotliwość zderzeń.
Epoka, którą właśnie zaczynamy oglądać
Teleskopy takie jak James Webb docierają do galaktyk z okresu kosmicznego świtu i pozwalają badać populacje obiektów istniejących w czasie rejonizacji. Radiowe eksperymenty próbują z kolei wykrywać sygnał neutralnego wodoru o długości fali 21 cm, który mógłby dać trójwymiarowy obraz przechodzenia od neutralnego do zjonizowanego gazu. To jedna z ostatnich dużych luk między precyzyjną mapą CMB a dobrze rozwiniętym późniejszym Wszechświatem pełnym galaktyk.
Rejonizacja była procesem rozciągniętym w czasie
Łatwo wyobrazić ją sobie jako chwilę, w której pierwsza gwiazda „włączyła światło” i cały Wszechświat stał się zjonizowany. W rzeczywistości źródła powstawały w skupiskach, więc wokół galaktyk tworzyły się bąble zjonizowanego wodoru. Bąble rosły i łączyły się przez setki milionów lat, aż neutralny gaz międzygalaktyczny stał się w większości zjonizowany. Obserwacje bardzo odległych kwazarów pokazują rosnącą absorpcję przez neutralny wodór przy odpowiednich redshiftach, a CMB zawiera ślad późniejszego rozpraszania fotonów na swobodnych elektronach. Nowe obserwatoria próbują też wykrywać sygnał linii 21 cm neutralnego wodoru, który może stworzyć trójwymiarową mapę przejścia. To sprawia, że rejonizacja jest wyjątkowym rozdziałem: znamy jej ogólny skutek, ale szczegóły tempa i udziału pierwszych galaktyk nadal są aktywnie rekonstruowane.
Rejonizacja nie oznacza, że dzisiejszy kosmos jest nieprzezroczysty
Po rejonizacji gaz międzygalaktyczny stał się ponownie zjonizowany, ale jego gęstość była już skrajnie mała w porównaniu z gęstą plazmą sprzed rekombinacji. Fotony mogą więc przemierzać ogromne odległości mimo obecności swobodnych elektronów. To gęstość i częstość zderzeń, a nie samo słowo „zjonizowany”, decydują o przezroczystości.