Variationer i universets tåge identificerer en milepæl i den kosmiske historie

Store forskelle i 'tåget' i det tidlige univers var forårsaget af øer af kold gas, der blev efterladt, da universet blev varmet op efter big bang, ifølge et internationalt hold af astronomer.

Resultaterne, rapporteret i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society , har gjort det muligt for astronomer at nulstille det tidspunkt, hvor genioniseringen sluttede, og universet dukkede op fra en kold og mørk tilstand for at blive, hvad det er i dag:fuld af varm og ioniseret brintgas, der gennemtrænger rummet mellem lysende galakser.

Brintgas dæmper lyset fra fjerne galakser ligesom gadelygter dæmpes af tåge en vintermorgen. Ved at observere denne dæmpning i spektrene af en speciel type lyse galakser, kaldet kvasarer, astronomer kan studere forhold i det tidlige univers.

I de sidste par år, observationer af dette specifikke dæmpningsmønster (kaldet Lyman-alpha-skoven) antydede, at universets tågehed varierer betydeligt fra en del af universet til en anden, men årsagen bag disse variationer var ukendt.

"Vi forventede, at lyset fra kvasarer højst ville variere fra sted til sted med en faktor to på dette tidspunkt, men det ses at variere med en faktor på omkring 500, " sagde hovedforfatter Girish Kulkarni, som afsluttede forskningen, mens han var postdoc ved University of Cambridge. "Nogle hypoteser blev fremsat for hvorfor det er sådan, men ingen var tilfredsstillende."

Den nye undersøgelse konkluderer, at disse variationer skyldes store områder fulde af kold brintgas til stede i universet, da det kun var en milliard år gammelt, et resultat, som gør det muligt for forskere at finde ud af, hvornår reioniseringen sluttede.

Under reionisering, da universet gik ud af den kosmiske 'mørke tidsalder', rummet mellem galakser var fyldt med et plasma af ioniseret brint med en temperatur på omkring 10, 000˚C. Dette er forvirrende, fordi halvtreds millioner år efter big bang, universet var koldt og mørkt. Den indeholdt gas med temperaturer kun et par grader over det absolutte nulpunkt, og ingen lysende stjerner og galakser. Hvordan er det så, at i dag, omkring 13,6 milliarder år senere, universet er badet i lys fra stjerner i en række galakser, og gassen er tusind gange varmere?

At besvare dette spørgsmål har været et vigtigt mål for kosmologisk forskning i de sidste to årtier. Konklusionerne af den nye undersøgelse tyder på, at reionisering fandt sted 1,1 milliarder år efter big bang (eller 12,7 milliarder år siden). en del senere end tidligere antaget.

Holdet af forskere fra Indien, England, Canada, Tyskland, og Frankrig trak deres konklusioner ved hjælp af state-of-the-art computersimuleringer udført på supercomputere baseret på universiteterne i Cambridge, Durham, og Paris, finansieret af UK Science and Technology Facilities Council (STFC) og Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE).

"Da universet var 1,1 milliarder år gammelt var der stadig store lommer af kosmos, hvor gassen mellem galakser stadig var kold, og det er disse neutrale øer af kold gas, der forklarer de forvirrende observationer, " sagde Martin Haehnelt fra University of Cambridge, som ledede gruppen, der udførte denne forskning, støttet af midler fra Det Europæiske Forskningsråd (ERC).

"Dette giver os endelig mulighed for at lokalisere afslutningen på reionisering meget mere præcist end før, " sagde Laura Keating fra Canadian Institute of Theoretical Astrophysics.

Den nye undersøgelse tyder på, at universet blev reioniseret af lys fra unge stjerner i de første galakser, der blev dannet.

"Sen reionisering er også gode nyheder for fremtidige eksperimenter, der har til formål at detektere den neutrale brint fra det tidlige univers, " sagde Kulkarni, som nu er baseret på Tata Institute of Fundamental Research i Indien. "Jo senere genioniseringen, jo lettere vil det være for disse eksperimenter at lykkes."

Et sådant eksperiment er ti-nations Square Kilometer Array (SKA), hvoraf Canada, Frankrig, Indien, og Storbritannien er medlemmer.