La aproximativ 370.000 de ani după Big Bang, Universul a experimentat o perioadă pe care cosmologii o numesc „Evul Întunecat Cosmic”. În această perioadă, Universul a fost ascuns de gaz neutru omniprezent care a ascuns toată lumina vizibilă, făcând-o invizibilă pentru astronomi. Pe măsură ce primele stele și galaxii s-au format în următoarele câteva sute de milioane de ani, radiațiile pe care le-au emis a ionizat această plasmă, făcând Universul transparent.
Unul dintre cele mai mari mistere cosmologice în acest moment este momentul în care a început „reionizarea cosmică”. Pentru a afla, astronomii au căutat mai adânc în cosmos (și mai departe în timp) pentru a observa primele galaxii vizibile. Mulțumită noi cercetări de o echipă de astronomi de la University College London (UCL), a fost observată o galaxie luminoasă care reioniza mediul intergalactic acum 13 miliarde de ani.
Cercetarea a fost prezentată săptămâna trecută (2 iulie) în cadrul reuniunii anuale a Societatea Europeană de Astronomie (EAS) – din cauza pandemiei, întâlnirea de anul acesta a fost virtuală. În timpul prezentării lor, Romain Meyer (un doctorand la UCL și autorul principal al studiului) și colegii săi și-au împărtășit concluziile, care este prima dovadă solidă a unei galaxii care reionizează o bula de gaz de la sine 13 miliarde de ani. în urmă.
Universul observabil, așa cum este descris de ceea ce telescoapele noastre pot vedea. Credit: NASA
Echipa responsabilă de această descoperire a fost condusă de Romain Meyer , un doctorat. student la Grupul de Astrofizică UCL. Lui i s-au alăturat cercetătorii UCL Dr. Nicolas Laporte , și prof. Richard S Ellis , precum și Prof. Anne Verhamme și Dr. Thibault Garel de la Universitatea din Geneva. Descoperirile lor fac, de asemenea, subiectul unei lucrări la care a fost trimisă recentAnunțurile lunare ale Societății Regale de Astronomie.
Studierea galaxiilor care au existat în această perioadă timpurie în Univers este esențială pentru înțelegerea originilor cosmosului, precum și a evoluției sale ulterioare. Conform modelelor noastre cosmologice actuale, primele galaxii s-au format din clustere stelare care se unesc, care s-au format la rândul lor când primele stele din Univers s-au reunit.
De-a lungul timpului, aceste galaxii au explodat radiația care a îndepărtat de electronii săi gazul neutru din mediul intergalactic (IGM) (denumit și procesul de ionizare). Astronomii știu asta pentru că avem dovezi clare pentru asta, sub forma Evurilor Întunecate Cosmice și a modului în care Universul este transparent astăzi. Dar întrebările cheie despre cum și când s-au întâmplat toate acestea rămân necunoscute. După cum dr. Meyer a spus Universe Today prin e-mail:
„Prin privire la galaxii îndepărtate, ne uităm în Universul timpuriu, deoarece lumina a călătorit de miliarde de ani înainte de a ajunge la noi. Este fantastic, deoarece ne putem uita la cum erau galaxiile cu miliarde de ani în urmă, dar are câteva dezavantaje.”
Galaxia A370p_z1 în imaginea Hubble și un zoom în fiecare filtru. Credit: NASA, ESA, Z. Levay (STSci)
Pentru început, a explicat Meyer, obiectele îndepărtate sunt foarte slabe și pot fi observate doar folosind cele mai puternice telescoape terestre și spațiale. La această distanță, există și problema dificilă a deplasării spre roșu, în care expansiunea cosmosului face ca lumina din galaxiile îndepărtate să aibă lungimea de undă întinsă spre capătul roșu al spectrului.
În cazul galaxiilor vechi de câteva miliarde de ani, lumina a fost deplasată până la punctul în care este doar vizibilă în infraroșu (în special lumina UV pe care o căutau Meyer și colegii săi). Pentru a vedea bine A370p_z1, o galaxie luminoasă aflată la 13 miliarde de ani lumină distanță, echipa a consultat Folosind date de la Câmpurile de frontieră Hubble program – pe care astronomii încă îl analizează.
Datele Hubble au sugerat că această galaxie era foarte deplasată spre roșu, ceea ce indică faptul că era deosebit de veche. Apoi au făcut observații ulterioare cu Very Large Telescope (VLT) pentru a obține o mai bună înțelegere a spectrelor acestei galaxii. În special, au căutat linia strălucitoare care este emisă de hidrogenul ionizat, cunoscută sub numele de linia Lyman-alfa. Meyer a spus:
„Marea surpriză a fost să constat că această linie, detectată la 9480 Angstroms, era o linie dublă. Acest lucru este extrem de rar de găsit în galaxiile timpurii și aceasta este doar a patra galaxie despre care știm că are o linie Lyman-alfa dublă în primul miliard de ani. Lucrul frumos cu liniile Lyman-alfa duble este că le poți folosi pentru a deduce o cantitate foarte importantă de galaxii timpurii: ce fracție de fotoni energetici se scurg în mediul intergalactic.”
Impresie de artist care ilustrează tehnica tomografiei Lyman-alfa. Credit: Khee-Gan Lee (MPIA) și Casey Stark (UC Berkeley)
O altă mare surpriză a fost faptul că A370p_z1 părea să lase 60% până la 100% din fotonii săi ionizați în spațiul intergalactic și a fost probabil responsabil pentru ionizarea bulei IGM din jurul său. Galaxiile care sunt mai aproape de Calea Lactee au de obicei fracțiuni de evadare de aproximativ 5% (50% în unele cazuri rare), dar observațiile IGM indică faptul că galaxiile timpurii trebuie să fi avut o fracție de evadare de 10 până la 20% în medie.
Această descoperire a fost extrem de importantă, deoarece ar putea ajuta la rezolvarea unei dezbateri în curs în cercurile cosmologice. Până acum, întrebările despre când și cum a avut loc reionizarea a produs două scenarii posibile. Într-una, era o populație de numeroase galaxii slabe care scurgeau aproximativ 10% din fotonii lor energetici. În cealaltă, a fost o „oligarhie” de galaxii luminoase cu un procent mult mai mare (50% sau mai mult) de fotoni care evadează.
În ambele cazuri, dovezile au sugerat până acum că primele galaxii au fost foarte diferite de cele de astăzi. „Descoperirea unei galaxii cu scăpare de aproape 100% a fost foarte plăcută, deoarece confirmă ceea ce bănuiau astrofizicienii: galaxiile timpurii erau foarte diferite de obiectele din zilele noastre și scurgeau fotoni energetici mult mai eficient”, a spus Meyer.
Studierea galaxiilor din epoca reionizării pentru liniile Lyman-alfa a fost întotdeauna dificilă din cauza modului în care sunt înconjurate de gaz neutru care absoarbe emisia de hidrogen. Cu toate acestea, acum avem dovezi puternice că reionizarea a fost completă la 800 de milioane de ani după Big Bang și că era probabil ca câteva galaxii luminoase să fie responsabile.
Dacă ceea ce Meyer și colegii săi au observat este tipic galaxiilor din epoca reionizării, atunci putem presupune că reionizarea a fost cauzată de un grup mic de galaxii care au creat în jurul lor bule mari de gaz ionizat care au crescut și s-au suprapus. După cum a explicat Meyer, această descoperire ar putea indica calea către crearea unui nou model cosmologic care prezice cu exactitate cum și când au avut loc schimbări majore în Universul timpuriu:
Această descoperire confirmă faptul că galaxiile timpurii ar putea fi extrem de eficiente la scurgerea de fotoni ionizanți, care este o ipoteză importantă a înțelegerii noastre despre „reionizarea cosmică” – epoca în care mediul intergalactic, acum 13 miliarde de ani, a trecut de la neutru la ionizat (de exemplu, electronii au fost smuls atomii de hidrogen de acești fotoni energetici).
Potrivit lui Meyer, trebuie găsite mai multe obiecte precum A370p_z1, astfel încât astronomii să poată stabili fracțiunile medii de evadare ale galaxiilor timpurii. Între timp, următorul pas va fi să se stabilească de ce aceste galaxii timpurii au fost atât de eficiente la scurgerea de fotoni energetici. Au fost sugerate mai multe scenarii, iar o privire mai bună asupra Universului timpuriu va permite astronomilor să le testeze.
După cum a observat cu siguranță Meyer, o mare parte din asta va depinde de telescoapele de generație următoare care vor ajunge în spațiu foarte curând. Cel mai notabil dintre acestea este Telescopul spațial James Webb (JWST), care (după mai multe întârzieri) este încă programată să se lanseze cândva anul viitor. Aici se află o altă semnificație pentru studii ca acestea, care este modul în care acestea vor ajuta echipa James Webb să decidă ce mistere cosmologice să investigheze.
Cronologia Big Bang a Universului. Neutrinii cosmici afectează CMB-ul în momentul în care a fost emis, iar fizica se ocupă de restul evoluției lor până în prezent. Credit: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
„Cu telescopul spațial James Webb, vom urmări această țintă mai adânc în infraroșu pentru a avea acces la ceea ce a fost emis inițial în lumina optică”, a spus Meyer. „Aceasta ne va oferi mai multe informații despre mecanismele fizice aflate în joc în galaxiile timpurii. Misiunea JWST este limitată în timp și de aceea descoperirea acestor obiecte extreme acum este atât de importantă: știind care obiecte sunt deosebite sau extreme în primul miliard de ani ai Universului nostru, vom ști la ce să ne uităm când JWST va fi lansat în sfârșit!”
Urmează vremuri interesante pentru astronomi, astrofizicieni, vânători de exoplanete, cercetători SETI și cosmologi. Este greu de știut cine ar trebui să fie cel mai entuziasmat, dar ceva îmi spune că ar fi ca și cum ai întreba un părinte pe care dintre copiii lor îi iubește cel mai mult. Inevitabil, răspunsul este întotdeauna „toți!”
Lectură suplimentară: LOR