NASA: s rymdteleskop Spitzer har avslöjat att några av universums tidigaste galaxer var ljusare än väntat. Det överflödiga ljuset är en biprodukt av galaxerna som släpper ut otroligt stora mängder joniserande strålning. Fyndet ger ledtrådar till orsaken till epoken av återjonisering, en stor kosmisk händelse som förvandlade universum från att vara mest ogenomskinligt till det lysande stjärnbilden som ses idag. Det nya verket visas i en uppsats i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
Forskare rapporterar om observationer av några av de första galaxerna som bildades i universum, mindre än 1 miljard år efter big bang (eller lite mer än 13 miljarder år sedan). Data visar att i några specifika våglängder för infrarött ljus är galaxerna betydligt ljusare än forskare förväntat sig. Studien är den första som bekräftar detta fenomen för ett stort urval av galaxer från denna period, vilket visar att dessa inte var speciella fall av överdriven ljusstyrka, men att även genomsnittliga galaxer som var närvarande var mycket ljusare i dessa våglängder än galaxer vi ser idag .
Ingen vet säkert när de första stjärnorna i vårt universum sprack till liv. Men bevis tyder på att universum fylldes med cirka 100 miljoner till 200 miljoner år efter Big Bang mestadels med neutral vätgas som kanske just hade börjat samlas till stjärnor, som sedan började bilda de första galaxerna. Ungefär 1 miljard år efter big bang hade universum blivit ett glittrande himla. Något annat hade också förändrats: Elektroner av den allestädes närvarande neutrala vätgasen hade avlägsnats i en process som kallas jonisering. Epoken av återjonisering – övergången från ett universum fullt av neutralt väte till ett fyllt med joniserat väte – är väldokumenterat.
Innan denna universumomfattande omvandling passerade långa våglängdsformer av ljus, såsom radiovågor och synligt ljus, universum mer eller mindre obelastat. Men kortare våglängder av ljus-inklusive ultraviolett ljus, röntgen och gammastrålning-stoppades kort av neutrala väteatomer. Dessa kollisioner skulle avlägsna deras elektroners neutrala väteatomer och jonisera dem.
Men vad skulle möjligen ha producerat tillräckligt med joniserande strålning för att påverka allt väte i universum? Var det enskilda stjärnor? Jätte galaxer? Om någon av dem var boven skulle de tidiga kosmiska kolonisatorerna ha varit annorlunda än de flesta moderna stjärnor och galaxer, som vanligtvis inte släpper ut stora mängder joniserande strålning. Återigen kanske något helt annat orsakade händelsen, till exempel kvasarer – galaxer med otroligt ljusa centra som drivs av enorma mängder material som kretsar supermassiva svarta hål.
’Det är en av de största öppna frågorna inom observationskosmologi’, säger Stephane De Barros, huvudförfattare till studien och postdoktor vid universitetet i Genève i Schweiz. ”Vi vet att det hände, men vad orsakade det? Dessa nya fynd kan vara en stor ledtråd. ”
För att kika tillbaka i tiden till eran precis innan epoken av återjonisering slutade, stirrade Spitzer på två delar av himlen i mer än 200 timmar vardera, vilket gjorde att rymdteleskopet kunde samla ljus som hade rest i mer än 13 miljarder år för att nå oss .
Som några av de längsta vetenskapsobservationer som någonsin utförts av Spitzer var de en del av en observationskampanj kallad GREATS, kort för GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury från Spitzer. GOODS (i sig en förkortning: Great Observatories Origins Deep Survey) är en annan kampanj som utförde de första observationerna av några GREATS -mål. Studien använde också arkivdata från rymdteleskopet NASA / ESA Hubble.
Med hjälp av dessa ultradjupa observationer av Spitzer observerade teamet av astronomer 135 avlägsna galaxer och fann att de alla var särskilt ljusa i två specifika våglängder för infrarött ljus som produceras genom joniserande strålning som interagerar med väte och syrgas i galaxerna. Detta innebär att dessa galaxer dominerades av unga, massiva stjärnor bestående mestadels av väte och helium. De innehåller mycket små mängder ’tunga’ element (som kväve, kol och syre) jämfört med stjärnor som finns i genomsnittliga moderna galaxer.
Dessa stjärnor var inte de första stjärnorna som bildades i universum (de skulle bara ha bestått av väte och helium) men var fortfarande medlemmar i en mycket tidig generation av stjärnor. Epoken av återjonisering var inte en momentan händelse, så även om de nya resultaten inte räcker för att stänga boken om denna kosmiska händelse, ger de nya detaljer om hur universum utvecklades vid denna tid och hur övergången spelade ut.
’Vi förväntade oss inte att Spitzer, med en spegel som inte var större än en Hula-Hoop, skulle kunna se galaxer så nära tidens gryning’, säger Michael Werner, Spitzers projektforskare vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien . ’Men naturen är full av överraskningar, och den oväntade ljusstyrkan i dessa tidiga galaxer, tillsammans med Spitzers fantastiska prestanda, sätter dem inom räckhåll för vårt lilla men kraftfulla observatorium.’
NASA / CSA / ESA James Webb rymdteleskop, som ska lanseras 2021, kommer att studera universum i många av samma våglängder som observerats av Spitzer. Men där Spitzers primära spegel bara är 85 centimeter i diameter är Webbs 6,5 meter – cirka 7,5 gånger större – vilket gör det möjligt för Webb att studera dessa galaxer mycket mer detaljerat. Faktum är att Webb kommer att försöka upptäcka ljus från de första stjärnorna och galaxerna i universum. Den nya studien visar att på grund av deras ljusstyrka i de infraröda våglängderna kommer de galaxer som observerats av Spitzer att bli lättare för Webb att studera än man tidigare trott.
’Dessa resultat av Spitzer är verkligen ytterligare ett steg för att lösa mysteriet med kosmisk återjonisering’, säger Pascal Oesch, biträdande professor vid universitetet i Genève och medförfattare till studien. ”Vi vet nu att de fysiska förhållandena i dessa tidiga galaxer var mycket annorlunda än i typiska galaxer idag. Det kommer att bli James Webb -rymdteleskopets uppgift att ta reda på de detaljerade orsakerna till det. ”