Forskere udpeger slutningen af ​​kosmisk daggry, reioniseringens epoke

En gruppe astronomer ledet af Sarah Bosman fra Max Planck Institute for Astronomy har robust timet afslutningen på epoken med reionisering af den neutrale brintgas til omkring 1,1 milliarder år efter Big Bang. Reionisering begyndte, da den første generation af stjerner blev dannet efter den kosmiske "mørke tidsalder", en lang periode, hvor neutral gas alene fyldte universet uden nogen lyskilder. Det nye resultat afgør en debat, der varede i to årtier og følger af strålingssignaturerne fra 67 kvasarer med aftryk af brintgassen, lyset passerede igennem, før det nåede Jorden. At udpege slutningen af ​​denne "kosmiske daggry" vil hjælpe med at identificere de ioniserende kilder:de første stjerner og galakser.

Universet har gennemgået forskellige faser fra dets begyndelse til dets nuværende tilstand. I løbet af de første 380.000 år efter Big Bang var det et varmt og tæt ioniseret plasma. Efter denne periode kølede det nok ned til, at de protoner og elektroner, der fyldte universet, kunne kombineres til neutrale brintatomer. For det meste i disse "mørke tidsalder" havde universet ingen kilder til synligt lys. Med fremkomsten af ​​de første stjerner og galakser omkring 100 millioner år senere, blev denne gas gradvist ioniseret af stjernernes ultraviolette (UV) stråling igen. Denne proces adskiller elektronerne fra protonerne og efterlader dem som frie partikler. Denne æra er almindeligvis kendt som "kosmisk daggry." I dag er al den brint, der er spredt ud mellem galakser, den intergalaktiske gas, fuldt ioniseret. Men hvornår det skete, er et stærkt diskuteret emne blandt videnskabsmænd og et stærkt konkurrencepræget forskningsfelt.

En sen afslutning på det kosmiske daggry

Et internationalt hold af astronomer ledet af Sarah Bosman fra Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, Tyskland, har nu præcist timet afslutningen på reioniseringsepoken til 1,1 milliarder år efter Big Bang. "Jeg er fascineret af ideen om de forskellige faser, som universet gennemgik og førte til dannelsen af ​​Solen og Jorden. Det er et stort privilegium at bidrage med en ny lille brik til vores viden om kosmisk historie," siger Sarah Bosman. Hun er hovedforfatteren til den forskningsartikel, der vises i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society i dag.

Frederick Davies, også MPIA-astronom og medforfatter af papiret, kommenterer:"Indtil for et par år siden var den fremherskende visdom, at genioniseringen blev fuldført næsten 200 millioner år tidligere. Her har vi nu det stærkeste bevis endnu på, at processen endte meget senere, under en kosmisk epoke, der er lettere at observere af nuværende generations observationsfaciliteter." Denne tidskorrektion kan forekomme marginal i betragtning af milliarder af år siden Big Bang. Et par hundrede millioner år mere var dog tilstrækkeligt til at producere flere snesevis af stjernegenerationer i den tidlige kosmiske evolution. Tidspunktet for den "kosmiske daggry"-æra begrænser arten og levetiden af ​​de ioniserende kilder, der var til stede i de hundreder af millioner år, den varede.

Denne indirekte tilgang er i øjeblikket den eneste måde at karakterisere de objekter, der drev reioniseringsprocessen. At observere de første stjerner og galakser direkte er uden for nutidige teleskopers muligheder. De er simpelthen for svage til at få brugbare data inden for en rimelig tid. Selv næste generations faciliteter som ESO's Extremely Large Telescope (ELT) eller James Webb Space Telescope kan kæmpe med sådan en opgave.

Kvasarer som kosmiske sonder

For at undersøge, hvornår universet var fuldt ioniseret, anvender videnskabsmænd forskellige metoder. Den ene er at måle emissionen af ​​neutral brintgas ved den berømte spektrallinje på 21 centimeter. I stedet analyserede Sarah Bosman og hendes kolleger lyset modtaget fra stærke baggrundskilder. De brugte 67 kvasarer, de lyse skiver af varm gas, der omgiver de centrale massive sorte huller i fjerne aktive galakser. Ser man på et kvasarspektrum, som visualiserer dets intensitet udlagt på tværs af de observerede bølgelængder, finder astronomer mønstre, hvor lys ser ud til at mangle. Det er det, forskerne kalder absorptionslinjer. Neutral brintgas absorberer denne del af lyset på sin rejse fra kilden til teleskopet. Spektrene af disse 67 kvasarer er af en hidtil uset kvalitet, hvilket var afgørende for denne undersøgelses succes.

Metoden går ud på at se på en spektrallinje svarende til en bølgelængde på 121,6 nanometer. Denne bølgelængde tilhører UV-området og er den stærkeste brintspektrallinje. Den kosmiske ekspansion flytter imidlertid kvasarspektret til længere bølgelængder, jo længere lyset bevæger sig. Derfor kan rødforskydningen af ​​den observerede UV-absorptionslinje oversættes til afstanden fra Jorden. I denne undersøgelse havde effekten flyttet UV-linjen ind i det infrarøde område, da den nåede teleskopet.

Afhængigt af fraktionen mellem neutral og ioniseret brintgas opnår graden af ​​absorption eller omvendt transmissionen gennem en sådan sky en særlig værdi. Når lyset møder et område med en høj andel af ioniseret gas, kan det ikke absorbere UV-stråling så effektivt. Denne ejendom er, hvad teamet ledte efter.

Kvasarlyset passerer gennem mange brintskyer i forskellige afstande på sin vej, og hver af dem efterlader sit aftryk ved mindre rødforskydninger fra UV-området. I teorien skulle analyse af ændringen i transmission pr. rødforskudt linje give det tidspunkt eller den afstand, hvor brintgassen var fuldt ioniseret

Modeller hjælper med at adskille konkurrerende påvirkninger

Desværre er omstændighederne endnu mere komplicerede. Siden afslutningen af ​​reionisering er kun det intergalaktiske rum fuldt ioniseret. Der er et netværk af delvist neutralt stof, der forbinder galakser og galaksehobe, kaldet det "kosmiske net". Hvor brintgassen er neutral, sætter den også sit præg i kvasarlyset.

For at adskille disse påvirkninger anvendte holdet en fysisk model, der gengiver variationer målt i en meget senere epoke, hvor den intergalaktiske gas allerede var fuldt ioniseret. Da de sammenlignede modellen med deres resultater, opdagede de en afvigelse ved en bølgelængde, hvor linjen på 121,6 nanometer blev forskudt med en faktor 5,3 gange svarende til en kosmisk alder på 1,1 milliarder år. Denne overgang angiver tidspunktet, hvor ændringer i det målte kvasarlys bliver inkonsistente med fluktuationer fra det kosmiske væv alene. Derfor var det den seneste periode, hvor neutral brintgas må have været til stede i det intergalaktiske rum og efterfølgende blev ioniseret. Det var afslutningen på den "kosmiske daggry."

Fremtiden er lys

"Dette nye datasæt giver et afgørende benchmark, som numeriske simuleringer af universets første milliard år vil blive testet i de kommende år," siger Frederick Davies. De vil hjælpe med at karakterisere de ioniserende kilder, de allerførste generationer af stjerner.

"Den mest spændende fremtidige retning for vores arbejde er at udvide det til endnu tidligere tider, mod midtpunktet af reioniseringsprocessen," påpeger Sarah Bosman. "Desværre betyder større afstande, at de tidligere kvasarer er betydeligt svagere. Derfor vil det udvidede opsamlingsområde for næste generations teleskoper såsom ELT være afgørende." + Udforsk yderligere

Opdagelse af en lysende galakse, der reioniserer det lokale intergalaktiske medium for 13 milliarder år siden