Astronomer bruger observationer af en gravitationslinser galakse til at måle egenskaberne af det tidlige univers

Selvom universet startede med et brag, udviklede det sig hurtigt til et relativt køligt, mørkt sted. Efter et par hundrede tusinde år tændte lysene igen, og videnskabsmænd forsøger stadig at finde ud af hvorfor.

Astronomer ved, at reionisering gjorde universet gennemsigtigt ved at tillade lys fra fjerne galakser at rejse næsten frit gennem kosmos for at nå os.

Imidlertid, astronomer forstår ikke fuldt ud flugthastigheden af ​​ioniserende fotoner fra tidlige galakser. Denne flugtrate er en afgørende, men stadig en dårligt begrænset værdi, hvilket betyder, at der er en bred vifte af øvre og nedre grænser i modellerne udviklet af astronomer.

Denne begrænsning skyldes til dels, at astronomer har været begrænset til indirekte metoder til observation af ioniserende fotoner, hvilket betyder, at de måske kun ser nogle få pixels af objektet og derefter foretager antagelser om usynlige aspekter. Direkte detektion, eller direkte observere et objekt såsom en galakse med et teleskop, ville give et meget bedre skøn over deres flugtrate.

I et netop offentliggjort blad, et team af forskere, ledet af et University of California, Riverside kandidatstuderende, brugte en direkte detektionsmetode og fandt ud af, at de tidligere anvendte begrænsninger er blevet overvurderet fem gange.

"Denne konstatering åbner spørgsmål om, hvorvidt galakser alene er ansvarlige for universets reionisering, eller om svage dværggalakser ud over vores nuværende detektionsgrænser har højere flugtfraktioner for at forklare det strålingsbudget, der er nødvendigt for universets reionisering, " sagde Kaveh Vasei, den kandidatstuderende, der er hovedforfatter på undersøgelsen.

Det er svært at forstå egenskaberne i det tidlige univers i høj grad, fordi det var mere end 12 milliarder år siden. Det vides, at omkring 380, 000 år efter Big Bang, elektroner og protoner bundet sammen for at danne brintatomer for første gang. De udgør mere end 90 procent af atomerne i universet, og kan meget effektivt absorbere højenergifotoner og blive ioniseret.

Imidlertid, der var meget få kilder til at ionisere disse atomer i det tidlige univers. En milliard år efter Big Bang, materialet mellem galakserne blev reioniseret og blev mere gennemsigtigt. Den vigtigste energikilde til reioniseringen menes i vid udstrækning at være massive stjerner dannet i tidlige galakser. Disse stjerner havde en kort levetid og blev normalt født midt i tætte gasskyer, hvilket gjorde det meget svært for ioniserende fotoner at undslippe deres værtsgalakser.

Tidligere undersøgelser antydede, at omkring 20 procent af disse ioniserende fotoner skal undslippe det tætte gasmiljø i deres værtsgalakser for at bidrage væsentligt til genioniseringen af ​​materialet mellem galakser.

Desværre, en direkte påvisning af disse ioniserende fotoner er meget udfordrende, og tidligere bestræbelser har ikke været særlig succesfulde. Derfor, mekanismerne, der fører til deres flugt, er dårligt forstået.

Dette har fået mange astrofysikere til at bruge indirekte metoder til at estimere andelen af ​​ioniserende fotoner, der undslipper galakserne. I en populær metode, gassen antages at have en "pikkehegn"-fordeling, hvor rummet i galakser antages at være sammensat af begge områder med meget lidt gas, som er gennemsigtige for ioniserende lys, eller områder med tæt gas, som er uigennemsigtige. Forskere kan bestemme brøkdelen af ​​hver af disse regioner ved at studere lyset (spektrene), der kommer ud fra galakserne.

I denne nye UC Riverside-ledede undersøgelse, astronomer målte direkte andelen af ​​ioniserende fotoner, der undslap fra den kosmiske hestesko, en fjern galakse, der er gravitationslinser. Gravitationslinser er deformation og forstærkning af et baggrundsobjekt ved krumning af rum og tid på grund af massen af ​​en forgrundsgalakse. Detaljerne i galaksen i baggrunden er derfor forstørret, giver forskere mulighed for at studere dets lys og fysiske egenskaber mere klart.

Baseret på hegnsmodellen, en flugtfraktion på 40 procent for ioniserende fotoner fra Horseshoe forventedes. Derfor, Hesteskoen repræsenterede en ideel mulighed for for første gang at få en klar, løst billede af utætte ioniserende fotoner for at hjælpe med at forstå de mekanismer, hvorved de undslipper deres værtsgalakser.

Forskerholdet fik et dybt billede af hesteskoen med Hubble-rumteleskopet i et ultraviolet filter, gør dem i stand til direkte at detektere undslippende ioniserende fotoner. Overraskende nok, billedet opdagede ikke ioniserende fotoner, der kom fra Horseshoe. Dette hold begrænsede andelen af ​​undslippende fotoner til at være mindre end 8 procent, fem gange mindre end hvad der var blevet udledt af indirekte metoder, der er meget brugt af astronomer.

"Undersøgelsen konkluderer, at den tidligere bestemte andel af undslippende ioniserende stråling fra galakser, som estimeret ved den mest populære indirekte metode, er sandsynligvis overvurderet i mange galakser, " sagde Brian Siana, medforfatter til forskningsoplægget og en adjunkt ved UC Riverside. "Holdet fokuserer nu på direkte bestemmelse af den del af undslippende ioniserende fotoner, der ikke er afhængige af indirekte estimater."

Dette papir, "Lyman-kontinuumets flugtfraktion af den kosmiske hestesko:en test af indirekte skøn, " er blevet offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .