Astronomer opdager de første stjerner, der bobler ud fra den kosmiske mørke middelalder

Astronomer, der bruger Mayall-teleskopet ved Kitt Peak National Observatory, et program fra NSF's National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, har identificeret flere overlappende bobler af brintgas ioniseret af stjernerne i tidlige galakser, blot 680 millioner år efter Big Bang. Dette er det tidligste direkte bevis fra den periode, hvor den første generation af stjerner dannedes og begyndte at reionisere den brintgas, der gennemtrængte universet.

Der var en periode i det meget tidlige univers - kendt som den "kosmiske mørke middelalder" - hvor elementarpartikler, dannet i Big Bang, var kombineret for at danne neutralt brint, men der eksisterede endnu ingen stjerner eller galakser til at oplyse universet. Denne periode begyndte mindre end en halv million år efter Big Bang og sluttede med dannelsen af ​​de første stjerner. Mens dette trin i udviklingen af ​​vores univers er angivet ved computersimuleringer, direkte beviser er sparsomme.

Nu, astronomer, der bruger det infrarøde billedkamera NEWFIRM på det 4 meter lange Mayall-teleskop ved Kitt Peak National Observatory ved NSF's National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (OIR Lab), har rapporteret billeddannelse af en gruppe af galakser, kendt som EGS77, der indeholder disse første stjerner. EGS, eller Extended Groth Strip, er en region afbildet af HST i 2005; det svarer til en smal stribe af himlen omtrent på bredden af ​​en finger, der holdes i armslængde. Der er mindst 50, 000 galakser kendt i striben. Deres resultater blev annonceret på en pressekonference afholdt i dag på det 235. møde i American Astronomical Society (AAS) i Honolulu, Hawaii.

"Det unge univers var fyldt med brintatomer, som dæmper ultraviolet lys så meget, at de blokerer vores syn på tidlige galakser, " sagde James Rhoads ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, som præsenterede resultaterne på AAS pressekonference. "EGS77 er den første galaksegruppe, der er fanget i færd med at rydde ud af denne kosmiske tåge."

Holdet begyndte med en billedundersøgelse designet til at opdage galakser med høj rødforskydning og kombinerede disse data med tilsvarende billeder taget af Hubble-rumteleskopet. Dette gjorde det muligt for teamet at beregne, hvad der er kendt som en fotometrisk rødforskydning, en proxy til estimering af afstand. Ved disse rødforskydninger, en galakses lys forskydes fuldstændigt uden for det område af bølgelængder, som det menneskelige øje er følsomt over for (det synlige spektrum) til længere (infrarøde) bølgelængder. Kriterierne for udvælgelse af fjerne galaksekandidater omfattede en klar detektering af dem i de specielle infrarøde smalbåndsfiltre, der blev brugt med NEWFIRM på Mayall 4-meter teleskopet og en fuldstændig ikke-detektering i de kortere bølgelængde optiske filterbånd, som bruges af Hubble. "Opdagelsen af ​​de to svagere galakser i gruppen var kun mulig på grund af det specielle smalbåndsfilter, der blev brugt med NEWFIRM, " sagde teamleder Vithal Tilvi, en forsker ved Arizona State University i Tempe.

"Intens lys fra galakser kan ionisere den omgivende brintgas, danner bobler, der tillader stjernelys at bevæge sig frit, " sagde Tilvi. "EGS77 har dannet en stor boble, der tillader dets lys at rejse til Jorden uden megen dæmpning. Til sidst, bobler som disse voksede rundt i alle galakser og fyldte det intergalaktiske rum, rydde vejen for lys til at rejse på tværs af universet."

EGS77 blev opdaget som en del af undersøgelsen Cosmic Deep And Wide Narrowband (Cosmic DAWN), som Rhoads fungerer som hovedefterforsker for. Holdet afbildede et lille område i stjernebilledet Boötes ved hjælp af et specialbygget filter på National Optical Astronomy Observatory's Extremely Wide-Field InfraRed imager (NEWFIRM). Ron Probst, et DAWN-teammedlem, som også hjalp med at udvikle NEWFIRM, tilføjer, "Disse resultater viser værdien af ​​at vedligeholde instrumenter på vores nationale observatorier, der er kraftfulde og fleksibelt kan tilpasse sig til at forfølge nye videnskabelige spørgsmål, spørgsmål, der måske ikke var i tankerne, da et instrument oprindeligt blev bygget."

Når først identificeret, afstandene og dermed alderen for disse galakser blev bekræftet med spektre taget med MOSFIRE-spektrografen ved Keck I-teleskopet ved W. M. Keck-observatoriet på Maunakea i Hawai'i. Alle tre galakser viser stærke emissionslinjer af brint Lyman alpha ved en rødforskydning (z =7,7), hvilket betyder, at vi ser dem omkring 680 millioner år efter Big Bang. Størrelsen af ​​den ioniserede boble omkring hver blev afledt fra computermodellering. Disse bobler overlapper rumligt, men er store nok (ca. 2,2 millioner lysår) til at Lyman alfa-fotoner bliver rødforskudt, før de når grænsen til boblen og dermed kan slippe uskadt, gør det muligt for astronomer at opdage dem.

"Vi forventede, at reioniseringsbobler fra denne æra i kosmisk historie ville være sjældne og svære at finde, " sagde Sangeeta Malhotra, en samarbejdspartner hos NASA GSFC, "så bekræftelse af denne overgang er vigtig." Denne "kosmiske daggry, "mellemtilstanden mellem et neutralt og et ioniseret univers, er noget, der er blevet forudsagt. Sådanne opdagelser er gjort mulige af tilgængeligheden af ​​kraftfulde astronomiske instrumenter, der kan sondere universet på en måde, som tidligere generationer af astronomer ikke havde forestillet sig.

Denne forskning vil blive præsenteret i et kommende papir og er i øjeblikket tæt på at blive accepteret.