náhled|Fáze reionizace. Po vzniku prvních hvězd a galaxií se kolem zdrojů ionizujícího záření vytvářely oblasti ionizovaného vodíku, které se postupně rozšiřovaly a spojovaly, až byl ionizován téměř veškerý mezihvězdný plyn ve vesmíru. Reionizace je v kosmologii období vývoje vesmíru, během něhož byl neutrální vodík v mezigalaktickém prostředí, vzniklý po období rekombinace, znovu ionizován působením záření prvních hvězd, galaxií a dalších zdrojů.
Vznik prvních hvězd a galaxií ukončil tzv. temný věk vesmíru a zahájil období reionizace. Volné elektrony vzniklé během tohoto procesu ovlivnily šíření reliktního záření prostřednictvím Thomsonova rozptylu.
Pozorovací důkazy
Protože reionizace proběhla v raném vesmíru, nelze ji pozorovat přímo. Její průběh je zkoumán pomocí nepřímých metod, zejména pozorováním vzdálených kvasarů a analýzou vlastností reliktního záření.
Spektra vzdálených kvazarů
Jedním z hlavních pozorovacích důkazů reionizace jsou absorpční spektra vzdálených kvasarů. Přítomnost neutrálního vodíku v mezigalaktickém prostředí způsobuje absorpci záření v oblasti Lymanovy série. Pozorování kvasarů s vysokým rudým posuvem ukazují změnu vlastností mezigalaktického prostředí přibližně kolem hodnoty , což odpovídá závěrečné fázi reionizace.
Reliktní záření
Reionizace ovlivnila také reliktní záření. Volné elektrony vzniklé při opětovné ionizaci mezigalaktického plynu způsobují dodatečný Thomsonův rozptyl fotonů reliktního záření, čímž částečně mění původní rozložení jeho anizotropií.
Síla tohoto efektu je charakterizována optickou hloubkou Thomsonova rozptylu , která vyjadřuje pravděpodobnost rozptylu fotonu reliktního záření na volných elektronech po období rekombinace.
Příčiny reionizace
K reionizaci mezigalaktického prostředí bylo nutné velké množství fotonů s dostatečnou energií pro ionizaci neutrálního vodíku. Hlavními kandidáty na jejich zdroj jsou první generace hvězd, rané galaxie a aktivní galaktická jádra.
První hvězdy
Vznik prvních hvězd představoval zásadní změnu ve vývoji vesmíru. Jejich záření začalo působit na do té doby převážně neutrální mezigalaktický plyn a vedlo k postupnému vzniku ionizovaných oblastí.
Tyto první zdroje záření ukončily období označované jako temný věk vesmíru a zahájily proces reionizace.
Rané galaxie
Vznik prvních galaxií umožnil vznik většího počtu zdrojů ultrafialového záření. Hvězdy v těchto mladých galaxiích jsou považovány za významný zdroj ionizujících fotonů, které postupně měnily stav okolního mezigalaktického prostředí.
Kvasary
Dalším možným zdrojem ionizujícího záření jsou kvasary, tedy velmi jasná aktivní galaktická jádra. Přestože jednotlivé kvasary vyzařují obrovské množství energie, jejich pozorovaný počet v době reionizace nebyl dostatečný k tomu, aby samy způsobily ionizaci celého mezigalaktického vodíku.
Průběh reionizace náhled|upright=1.4|Schematické znázornění vývoje vesmíru od velkého třesku po současnost. Reionizace probíhala po období temného věku mezi vznikem prvních hvězd a galaxií a úplnou ionizací mezigalaktického prostředí. Reionizace vodíku
Reionizace vodíku probíhala v době, kdy první hvězdy a galaxie začaly vyzařovat dostatečné množství ionizujícího ultrafialového záření. Toto záření postupně ionizovalo neutrální vodík v mezigalaktickém prostředí a vytvářelo kolem zdrojů ionizované oblasti, které se postupně zvětšovaly a překrývaly.
Pozorování vzdálených kvasarů ukazují, že závěrečná fáze reionizace vodíku probíhala přibližně kolem rudého posuvu .
Reionizace helia
Vedle reionizace vodíku proběhla později také reionizace helia. Ta se týkala zejména přeměny jednou ionizovaného helia He II na dvakrát ionizované helium He III. Protože ionizační potenciál He II je , běžné hvězdy nemohly tento proces ve velkém rozsahu zajistit; významnější roli sehrály kvazary s tvrdým ultrafialovým spektrem.
Pozorování absorpce He II ve spektrech vzdálených kvazarů ukazují, že heliová reionizace proběhla později než reionizace vodíku a byla dokončena přibližně při rudém posuvu .
Detekční metody
Kvasary a Gunnův–Petersonův efekt
Jedním z nejdůležitějších důkazů reionizace jsou spektra vzdálených kvasarů. Neutrální vodík v mezigalaktickém prostředí silně absorbuje záření v oblasti Lymanovy série, což vede ke vzniku absorpčních struktur označovaných jako Gunnův–Petersonův efekt. Pozorování kvasarů s vysokým rudým posuvem umožňují odhadnout množství neutrálního vodíku v různých obdobích vývoje vesmíru.
Výskyt výrazného Gunnova–Petersonova efektu ve spektrech velmi vzdálených kvasarů ukazuje, že v době před dokončením reionizace obsahovalo mezigalaktické prostředí podstatně více neutrálního vodíku než v pozdějších epochách.
Anizotropie a polarizace reliktního záření
Reionizace ovlivňuje také reliktní záření. Volné elektrony vzniklé ionizací mezigalaktického plynu způsobují dodatečný Thomsonův rozptyl fotonů reliktního záření. Tento proces částečně potlačuje původní anizotropie vzniklé při posledním rozptylu fotonů a zanechává měřitelnou stopu v úhlovém výkonovém spektru reliktního záření.
Velikost tohoto efektu se popisuje pomocí optické hloubky Thomsonova rozptylu , která představuje důležitý kosmologický parametr související s historií reionizace.
Emise Lyman-alfa
Další informace o průběhu reionizace poskytuje pozorování galaxií vykazujících silnou emisi Lyman-alfa. Fotony této spektrální čáry jsou citlivé na přítomnost neutrálního vodíku v mezigalaktickém prostředí, a jejich pozorované vlastnosti proto umožňují studovat stav plynu v období reionizace.
Početnost a spektrální vlastnosti galaxií s emisí Lyman-alfa patří mezi významné nástroje pro sledování časového průběhu reionizace.
Čára 21 cm neutrálního vodíku
Významnou metodou studia reionizace je pozorování spektrální čáry neutrálního vodíku o vlnové délce 21 cm. Toto záření umožňuje přímo sledovat rozložení neutrálního vodíku v mezigalaktickém prostředí během období reionizace.
Měření signálu na vlnové délce 21 cm je považováno za jednu z nejperspektivnějších metod výzkumu reionizace, protože poskytuje informace o prostorové struktuře neutrálního plynu i o časovém průběhu tohoto procesu.
Odkazy
Reference
Související články Velký třesk Kvasar Lymanova série
Externí odkazy
Kategorie:Astrofyzika Kategorie:Kosmologie