Astronomer opdager en fjern galaksegruppe, der driver en gammel kosmisk makeover

Et internationalt hold af astronomer, delvist finansieret af NASA, har fundet den fjerneste galaksegruppe, der er identificeret til dato. Kaldet EGS77, trioen af ​​galakser dateres til en tid, hvor universet kun var 680 millioner år gammelt, eller mindre end 5 % af dens nuværende alder på 13,8 milliarder år.

Mere markant, observationer viser, at galakserne er deltagere i en gennemgribende kosmisk makeover kaldet reionisering. Den æra begyndte, da lyset fra de første stjerner ændrede naturen af ​​brint i hele universet på en måde, der ligner en frossen sø, der smelter om foråret. Dette forvandlede mørket, lysslukkende tidlige kosmos til det, vi ser omkring os i dag.

"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, der præsenterede resultaterne den 5. januar ved det 235. møde i American Astronomical Society i Honolulu. "EGS77 er den første galaksegruppe, der er fanget i færd med at rydde ud af denne kosmiske tåge."

Mens fjernere individuelle galakser er blevet observeret, EGS77 er den fjerneste galaksegruppe til dato, der viser de specifikke bølgelængder af langt ultraviolet lys afsløret ved reionisering. Denne emission, kaldet Lyman alfa lys, er fremtrædende i alle medlemmer af EGS77.

I sin tidligste fase, universet var et glødende plasma af partikler, inklusive elektroner, protoner, atomkerner, og lys. Atomer kunne endnu ikke eksistere. Universet var i en ioniseret tilstand, svarende til gassen inde i et oplyst neonskilt eller lysstofrør.

Efter at universet ekspanderede og afkølede i omkring 380, 000 år, elektroner og protoner kombineret til de første atomer - mere end 90% af dem hydrogen. Hundredvis af millioner år senere, denne gas dannede de første stjerner og galakser. Men selve tilstedeværelsen af ​​denne rigelige gas udgør udfordringer for at spotte galakser i det tidlige univers.

Hydrogenatomer absorberer let og genudsender hurtigt langt ultraviolet lys kendt som Lyman alpha-emission, som har en bølgelængde på 121,6 nanometer. Da de første stjerner dannedes, noget af det lys, de producerede, matchede denne bølgelængde. Fordi Lyman alfa-lys let interagerede med brintatomer, den kunne ikke rejse langt, før gassen spredte den i tilfældige retninger.

"Intens lys fra galakser kan ionisere den omgivende brintgas, danner bobler, der tillader stjernelys at bevæge sig frit, " sagde teammedlem Vithal Tilvi, en forsker ved Arizona State University i Tempe. "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, genionisere universet og rydde vejen for lys til at rejse hen over kosmos."

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), som var knyttet til det 4 meter lange Mayall-teleskop ved Kitt Peak National Observatory nær Tucson, Arizona.

Fordi universet udvider sig, Lyman alfa lys fra EGS77 er blevet strakt ud under sine rejser, så astronomer opdager det faktisk ved nær-infrarøde bølgelængder. Vi kan ikke se disse galakser i synligt lys nu, fordi det lys startede med kortere bølgelængder end Lyman alpha og blev spredt af brintatomers tåge.

For at hjælpe med at vælge fjerntliggende kandidater, forskerne sammenlignede deres billeder med offentligt tilgængelige data fra den samme region taget af NASAs Hubble- og Spitzer-rumteleskoper. Galakser, der optræder klart i nær-infrarøde billeder, blev mærket som muligheder, mens dem, der dukkede op i synligt lys, blev afvist som værende for tæt på.

Holdet bekræftede afstandene til EGS77's galakser ved at bruge Multi-Object Spectrometer for Infra-Red Exploration (MOSFIRE) på Keck I-teleskopet ved W. M. Keck Observatory på Maunakea, Hawaii. De tre galakser viser alle Lyman alfa-emissionslinjer ved lidt forskellige bølgelængder, afspejler lidt forskellige afstande. Adskillelsen mellem tilstødende galakser er omkring 2,3 millioner lysår, eller lidt tættere på end afstanden mellem Andromeda-galaksen og vores egen Mælkevej.

Et papir, der beskriver resultaterne, ledet af Tilvi, er blevet forelagt The Astrophysical Journal .

"Mens dette er den første galaksegruppe identificeret som ansvarlig for kosmisk reionisering, fremtidige NASA-missioner vil fortælle os meget mere, " sagde medforfatter Sangeeta Malhotra ved Goddard. "Det kommende James Webb-rumteleskop er følsomt over for Lyman-alfa-emission fra endnu svagere galakser på disse afstande og kan finde flere galakser inden for EGS77."

Astronomer forventer, at lignende reioniseringsbobler fra denne æra vil være sjældne og svære at finde. NASAs planlagte Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) kan muligvis afsløre yderligere eksempler, yderligere belysning af denne vigtige overgang i kosmisk historie.