Eindelijk weten we wat de lichten aanstak aan het begin van de geschiedenis: ScienceAlert

We weten eindelijk wat licht bracht in de donkere, vormloze leegte van het vroege universum.

Volgens gegevens van de Hubble en James Webb Ruimtetelescopen waren de oorsprong van vrij vliegende fotonen aan het begin van het vroege heelal kleine dwergstelsels waarin het leven ontbrandde en de troebele waterstofmist opruimde die de intergalactische ruimte vulde. Nieuw papier Het onderzoek werd in februari gepubliceerd.

“Deze ontdekking onthult de cruciale rol die ultralichte sterrenstelsels speelden in de evolutie van het vroege heelal.” Astrofysicus Irina Chemerinska zei Van het Instituut voor Astrofysica in Parijs.

“Ze produceren ioniserende fotonen die neutraal waterstof omzetten in geïoniseerd plasma tijdens kosmische reionisatie. Dit benadrukt het belang van het begrijpen van sterrenstelsels met een lage massa bij het vormgeven van de geschiedenis van het universum.”

Aan het begin van het heelal, minuten na de oerknal, was de ruimte gevuld met een dikke mist van geïoniseerd plasma. Het weinige licht dat er was kon door deze mist dringen; In plaats daarvan zouden de fotonen eenvoudigweg zijn verstrooid door vrije elektronen die rondzweven, waardoor het universum feitelijk donker zou worden.

Toen het heelal na ongeveer 300.000 jaar afkoelde, begonnen protonen en elektronen samen te komen en neutraal waterstofgas (en een beetje helium) te vormen. De meeste golflengten van licht konden dit neutrale medium doordringen, maar er waren weinig lichtbronnen die dit konden produceren. Maar uit dit waterstof en helium werden de eerste sterren geboren.

Deze eerste sterren zonden straling uit die krachtig genoeg was om elektronen uit hun kernen te verwijderen en het gas te reïoniseren. Maar op dat moment was het heelal zo ver uitdijd dat het gas zich verspreidde en niet langer kon voorkomen dat er licht scheen. Ongeveer een miljard jaar na de oerknal, het einde van de periode die bekend staat als de kosmische dageraad, werd het universum volledig opnieuw geïoniseerd. Tada! De lichten gingen aan.

Maar omdat er zoveel onscherpte is in de kosmische dageraad, en omdat deze zo zwak en ver weg is in tijd en ruimte, hebben we moeite gehad om te zien wat daarbuiten is. Wetenschappers dachten dat de bronnen die verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van deze waas krachtig moeten zijn: massieve zwarte gaten waarvan de aanwas bijvoorbeeld helder licht produceert, en massieve sterrenstelsels die zich midden in de stervorming bevinden (babysterren produceren veel ultraviolette straling).

De James Webb-telescoop is gedeeltelijk ontworpen om in de dageraad van het universum te kijken en te proberen erachter te komen wat zich daar verbergt. Het was een enorm succes en onthulde allerlei verrassingen over deze cruciale tijd in de vorming van ons universum. Verrassend genoeg geven telescoopwaarnemingen nu aan dat dwergstelsels de belangrijkste spelers zijn bij reïonisatie.

Een internationaal team onder leiding van astrofysicus Hakim Atiq van het Instituut voor Astrofysica in Parijs wendde zich tot de gegevens van de James Webb Telescope over een groep sterrenstelsels genaamd Abell 2744, ondersteund door gegevens van Hubble. Abell 2744 is zo compact dat de ruimtetijd eromheen buigt en een kosmische lens vormt. Elk ver licht dat door deze ruimte-tijd naar ons toe reist, wordt vergroot. Hierdoor hebben onderzoekers kleine dwergstelsels kunnen zien nabij de kosmische dageraad.

Vervolgens gebruikten ze de James Webb-telescoop om gedetailleerde spectra van deze kleine sterrenstelsels te verkrijgen. Uit hun analyse bleek dat deze dwergstelsels niet alleen het meest voorkomende type sterrenstelsel in het vroege heelal zijn, maar ook veel helderder dan verwacht. Uit het onderzoek van het team blijkt zelfs dat het aantal dwergstelsels 100 tegen één groter is dan het aantal grote sterrenstelsels, en dat hun totale output vier keer zo groot is als de ioniserende straling die normaal wordt aangenomen voor grotere sterrenstelsels.

“Gecombineerd zenden deze kosmische krachten meer dan genoeg energie uit om de missie te volbrengen.” zei Atik“Ondanks hun kleine omvang produceren deze sterrenstelsels met een lage massa enorme hoeveelheden energetische straling, en hun overvloed tijdens deze periode is zo groot dat hun collectieve impact de hele toestand van het universum zou kunnen transformeren.”

Het is het beste bewijs tot nu toe van de kracht achter reïonisatie, maar er is nog meer werk aan de winkel. De onderzoekers keken naar een klein stukje hemel; Ze moeten er zeker van zijn dat het monster dat ze kiezen niet slechts een afwijkende verzameling dwergstelsels is, maar eerder een verzameling dwergstelsels die de gehele populatie aan het begin van het universum vertegenwoordigt.

Wetenschappers zijn van plan meer kosmische lensgebieden aan de hemel te bestuderen om een ​​bredere steekproef van vroege clusters van sterrenstelsels te krijgen. Maar de resultaten zijn alleen voor dit monster zeer interessant. Wetenschappers zijn op zoek naar antwoorden op reïonisatie sinds we er kennis van hebben. En we staan ​​op het punt om eindelijk de mist op te trekken.

“We zijn nu met JWST op onbekend terrein betreden.” zei astrofysicus Thimya Nanayakkara Van de Swinburne University of Technology in Australië.

“Dit werk opent meer opwindende vragen die we moeten beantwoorden in onze pogingen om de evolutionaire geschiedenis van ons begin in kaart te brengen.”

Het onderzoek is gepubliceerd in natuur.

De originele versie van dit artikel is in maart 2024 gepubliceerd.