We weten eindelijk wat de lichten aanstak bij het aanbreken van de tijd: ScienceAlert

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

Volgens gegevens van de ruimtetelescopen Hubble en James Webb waren de oorsprong van vrij vliegende fotonen in de vroege kosmische dageraad kleine dwergstelsels die ontbrandden van leven en zo de mysterieuze waterstofmist opruimden die de intergalactische ruimte vulde.

“Deze ontdekking onthult de cruciale rol die zeer zwakke sterrenstelsels spelen in de evolutie van het vroege heelal.” zegt astrofysicus Irina Chemerinska 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, binnen enkele minuten na de oerknal, was de ruimte gevuld met een hete, dichte mist van geïoniseerd plasma. Het weinige licht dat er was, zou niet in deze mist zijn doorgedrongen; Simpel gezegd zouden de fotonen worden verstrooid door de vrije elektronen die rondzweven, waardoor het universum feitelijk donker zou worden.

Toen het universum 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 maar heel weinig lichtbronnen die dit konden produceren. Maar uit waterstof en helium werden de eerste sterren geboren.

Die eerste sterren zorgden voor straling die sterk genoeg was om elektronen uit hun kernen te stoten en het gas te reïoniseren. Op dat moment was het heelal echter zo ver uitdijd dat gas zich verspreidde en niet meer 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. Ta-da! De lichten waren aan.

Maar omdat er zoveel duisternis 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 daar is. Wetenschappers dachten dat de bronnen die verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van deze leegte krachtig moeten zijn: massieve zwarte gaten waarvan de aanwas bijvoorbeeld gloeiend licht produceert, en massieve sterrenstelsels die zich midden in de stervorming bevinden (kleine sterren produceren veel ultraviolet licht).

De James Webb-ruimtetelescoop is gedeeltelijk ontworpen om in de kosmische dageraad te kijken en te proberen te zien wat daar ligt. Het was zeer succesvol 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 Space Telescope over een cluster van sterrenstelsels genaamd Abell 2744, aangevuld met gegevens van Hubble. Abell 2744 is zo compact dat de ruimtetijd eromheen wikkelt en een kosmische lens vormt; Al het verre licht dat door de ruimte-tijd naar ons toe reist, wordt vergroot. Hierdoor konden onderzoekers kleine dwergstelsels dichtbij de kosmische dageraad zien.

Vervolgens gebruikten ze de James Webb-ruimtetelescoop 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 gezamenlijke output vier keer zo groot is als de ioniserende straling die normaal wordt aangenomen voor massievere sterrenstelsels.

“Gecombineerd zenden deze kosmische krachten voldoende energie uit om de klus te klaren.” zegt Atik. “Ondanks hun kleine formaat produceren deze sterrenstelsels met een lage massa een overvloed aan energetische straling, en hun overvloed tijdens deze periode is zo groot dat hun collectieve impact de hele toestand van het universum zou kunnen veranderen.”

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 ervoor zorgen dat hun steekproef niet alleen een afwijkende verzameling dwergstelsels is, maar een representatieve steekproef van de gehele bevolking bij kosmische dageraad.

Ze zijn van plan meer kosmische lensgebieden aan de hemel te bestuderen om een ​​bredere steekproef van vroege clusters van sterrenstelsels te krijgen. Maar alleen in dit voorbeeld waren de resultaten ongelooflijk dramatisch. Wetenschappers zoeken al zolang we erover weten naar antwoorden over reïonisatie. We staan ​​op het punt om eindelijk de mist op te trekken.

“We zijn nu op onbekend terrein beland met de James Webb-ruimtetelescoop.” zegt astrofysicus Thimya Nanayakkara Van de Swinburne University of Technology in Australië.

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

Het onderzoek is gepubliceerd in natuur.