Nye spor om, hvordan gamle galakser lyste op i universet

NASAs Spitzer-rumteleskop har afsløret, at nogle af universets tidligste galakser var lysere end forventet. Det overskydende lys er et biprodukt af, at galakserne frigiver utroligt store mængder ioniserende stråling. Fundet giver fingerpeg om årsagen til reioniseringsepoken, en stor kosmisk begivenhed, der forvandlede universet fra at være for det meste uigennemsigtigt til det strålende stjernelandskab, der ses i dag.

I en ny undersøgelse, forskere rapporterer om observationer af nogle af de første galakser, der dannes i universet, mindre end 1 milliard år efter big bang (eller lidt mere end 13 milliarder år siden). Dataene viser, at i nogle få specifikke bølgelængder af infrarødt lys, galakserne er betydeligt lysere, end forskerne havde forventet. Undersøgelsen er den første til at bekræfte dette fænomen for en stor prøveudtagning af galakser fra denne periode, viser, at der ikke var tale om særlige tilfælde af for høj lysstyrke, men at selv gennemsnitlige galakser til stede på det tidspunkt var meget lysere i disse bølgelængder end galakser, vi ser i dag.

Ingen ved med sikkerhed, hvornår de første stjerner i vores univers brister til live. Men beviser tyder på, at mellem omkring 100 millioner og 200 millioner år efter big bang, universet var for det meste fyldt med neutral brintgas, der måske lige var begyndt at smelte sammen til stjerner, som så begyndte at danne de første galakser. Cirka 1 milliard år efter Big Bang, universet var blevet til et funklende himmelhvælving. Noget andet havde ændret sig, også:Elektroner af den allestedsnærværende neutrale brintgas var blevet strippet væk i en proces kendt som ionisering. Reioniseringens epoke – overgangen fra et univers fyldt med neutral brint til et univers fyldt med ioniseret brint – er veldokumenteret.

Før denne universelle transformation, lange bølgelængde former for lys, radiobølger og synligt lys, gennemgik universet mere eller mindre ubehæftet. Men kortere bølgelængder af lys - inklusive ultraviolet lys, Røntgenstråler og gammastråler - blev stoppet kort af neutrale brintatomer. Disse kollisioner ville fjerne de neutrale brintatomer af deres elektroner, ionisere dem.

Men hvad kunne have produceret nok ioniserende stråling til at påvirke al brint i universet? Var det individuelle stjerner? Kæmpe galakser? Hvis en af ​​dem var synderen, disse tidlige kosmiske kolonisatorer ville have været anderledes end de fleste moderne stjerner og galakser, som typisk ikke frigiver store mængder ioniserende stråling. Så igen, måske noget helt andet forårsagede begivenheden, såsom kvasarer - galakser med utroligt lyse centre drevet af enorme mængder materiale, der kredser om supermassive sorte huller.

"Det er et af de største åbne spørgsmål inden for observationel kosmologi, " sagde Stephane De Barros, hovedforfatter af undersøgelsen og en postdoc-forsker ved universitetet i Genève i Schweiz. "Vi ved, det skete, men hvad forårsagede det? Disse nye resultater kunne være et stort fingerpeg."

Leder efter lys

For at kigge tilbage i tiden til æraen lige før reioniseringsepoken sluttede, Spitzer stirrede på to områder af himlen i mere end 200 timer hver, giver rumteleskopet mulighed for at indsamle lys, der havde rejst i mere end 13 milliarder år for at nå os.

Som nogle af de længste videnskabelige observationer nogensinde udført af Spitzer, de var en del af en observationskampagne kaldet GREATS, forkortelse for GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury fra Spitzer. GOODS (selv et akronym:Great Observatories Origins Deep Survey) er en anden kampagne, der udførte de første observationer af nogle GREAT-mål. Studiet, offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society , også brugt arkivdata fra NASAs Hubble-rumteleskop.

Ved at bruge disse ultradybe observationer af Spitzer, holdet af astronomer observerede 135 fjerne galakser og fandt ud af, at de alle var særligt lyse i to specifikke bølgelængder af infrarødt lys produceret af ioniserende stråling, der interagerer med brint og oxygengasser i galakserne. Dette indebærer, at disse galakser var domineret af unge, massive stjerner, der hovedsageligt består af brint og helium. De indeholder meget små mængder "tunge" grundstoffer (som nitrogen, kulstof og oxygen) sammenlignet med stjerner fundet i gennemsnitlige moderne galakser.

Disse stjerner var ikke de første stjerner, der blev dannet i universet (de ville kun have været sammensat af brint og helium), men var stadig medlemmer af en meget tidlig generation af stjerner. Reioniseringens epoke var ikke en øjeblikkelig begivenhed, så selvom de nye resultater ikke er nok til at lukke bogen om denne kosmiske begivenhed, de giver nye detaljer om, hvordan universet udviklede sig på dette tidspunkt, og hvordan overgangen udspillede sig.

"Vi forventede ikke, at Spitzer, med et spejl, der ikke er større end en Hula-Hoop, ville være i stand til at se galakser så tæt på tidernes morgen, sagde Michael Werner, Spitzers projektforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien. "Men naturen er fuld af overraskelser, og den uventede lysstyrke af disse tidlige galakser, sammen med Spitzers fremragende præstation, sætter dem inden for rækkevidde af vores lille, men kraftfulde observatorium."

NASAs James Webb-rumteleskop, skal lanceres i 2021, vil studere universet i mange af de samme bølgelængder observeret af Spitzer. Men hvor Spitzers primære spejl kun er 85 centimeter (33,4 tommer) i diameter, Webbs er 6,5 meter (21 fod) - omkring 7,5 gange større - hvilket gør det muligt for Webb at studere disse galakser langt mere detaljeret. Faktisk, Webb vil forsøge at opdage lys fra de første stjerner og galakser i universet. Den nye undersøgelse viser, at på grund af deres lysstyrke i de infrarøde bølgelængder, galakserne observeret af Spitzer vil være nemmere for Webb at studere end hidtil antaget.

"Disse resultater af Spitzer er bestemt endnu et skridt i løsningen af ​​mysteriet om kosmisk reionisering, sagde Pascal Oesch, en adjunkt ved universitetet i Genève og en medforfatter på undersøgelsen. "Vi ved nu, at de fysiske forhold i disse tidlige galakser var meget anderledes end i typiske galakser i dag. Det bliver James Webb-rumteleskopets opgave at finde ud af de detaljerede årsager til hvorfor."