W końcu wiemy, co wniosło światło do ciemnej, bezkształtnej pustki wczesnego wszechświata.
Według danych z teleskopów kosmicznych Hubble'a i Jamesa Webba, swobodnie lecące fotony we wczesnym kosmicznym świcie powstały w małych galaktykach karłowatych, które zapłonęły życiem, usuwając tajemniczą mgłę wodorową wypełniającą przestrzeń międzygalaktyczną.
„To odkrycie ujawnia kluczową rolę, jaką odgrywają bardzo słabe galaktyki w ewolucji wczesnego Wszechświata.” mówi astrofizyk Irina Chemerinska Z Instytutu Astrofizyki w Paryżu.
„Wytwarzają fotony jonizujące, które podczas rejonizacji kosmicznej przekształcają obojętny wodór w zjonizowaną plazmę. To podkreśla znaczenie zrozumienia galaktyk o małej masie w kształtowaniu historii wszechświata”.
Na początku Wszechświata, w ciągu kilku minut od Wielkiego Wybuchu, przestrzeń wypełniła się gorącą, gęstą mgłą zjonizowanej plazmy. Ta odrobina światła nie przebiłaby się przez tę mgłę; Mówiąc najprościej, fotony zostałyby rozproszone z unoszących się w powietrzu wolnych elektronów, skutecznie powodując ciemność we wszechświecie.
Gdy Wszechświat się ochładzał, po około 300 000 lat, protony i elektrony zaczęły się łączyć, tworząc obojętny gazowy wodór (i odrobinę helu). Większość długości fal światła mogła przeniknąć przez to neutralne medium, ale było bardzo niewiele źródeł światła, które je wytworzyły. Ale z wodoru i helu narodziły się pierwsze gwiazdy.
Te pierwsze gwiazdy zapewniły promieniowanie wystarczająco silne, aby wybić elektrony ze swoich jąder i spowodować rejonizację gazu. Jednak do tego momentu Wszechświat rozszerzył się tak bardzo, że rozprzestrzenił się gaz i nie mógł zapobiec świeceniu światła. Około miliarda lat po Wielkim Wybuchu, czyli końcu okresu zwanego kosmicznym świtem, wszechświat został całkowicie zjonizowany. Ta-da! Światła były włączone.
Ale ponieważ w kosmicznym świcie jest tak dużo ciemności oraz ponieważ jest on tak słaby i odległy w czasie i przestrzeni, mieliśmy trudności z dostrzeżeniem, co tam jest. Naukowcy uważali, że źródła odpowiedzialne za większość tej pustki muszą być potężne — na przykład masywne czarne dziury, których akrecja wytwarza świecące światło, oraz masywne galaktyki w okresie powstawania gwiazd (małe gwiazdy wytwarzają dużo światła ultrafioletowego).
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został zaprojektowany częściowo po to, aby zaglądać w kosmiczny świt i próbować zobaczyć, co się tam kryje. Odniosła ogromny sukces, ujawniając wszelkiego rodzaju niespodzianki dotyczące tego kluczowego momentu w powstawaniu naszego wszechświata. Co zaskakujące, obserwacje teleskopowe wskazują obecnie, że galaktyki karłowate odgrywają główną rolę w rejonizacji.
Międzynarodowy zespół kierowany przez astrofizyka Hakima Atiqa z Instytutu Astrofizyki w Paryżu wykorzystał dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dotyczące gromady galaktyk zwanej Abell 2744, uzupełnione danymi z Hubble'a. Abell 2744 jest tak gęsta, że czasoprzestrzeń owija się wokół niej, tworząc kosmiczną soczewkę; Każde odległe światło podróżujące do nas w czasoprzestrzeni zostaje powiększone. Pozwoliło to naukowcom zobaczyć małe galaktyki karłowate w pobliżu kosmicznego świtu.
Następnie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do uzyskania szczegółowych widm tych małych galaktyk. Ich analiza ujawniła, że te galaktyki karłowate są nie tylko najliczniejszym typem galaktyk we wczesnym Wszechświecie, ale są także znacznie jaśniejsze, niż oczekiwano. W rzeczywistości badania zespołu pokazują, że galaktyki karłowate przewyższają liczebnie duże galaktyki w stosunku 100 do jednego, a ich łączna emisja jest czterokrotnie większa niż promieniowanie jonizujące normalnie zakładane dla masywniejszych galaktyk.
„W sumie te siły kosmiczne emitują wystarczającą ilość energii, aby wykonać zadanie”. – mówi Atik. „Pomimo swoich niewielkich rozmiarów te galaktyki o małej masie wytwarzają obfite promieniowanie energetyczne, a ich obfitość w tym okresie jest tak wielka, że ich zbiorowy wpływ może zmienić cały stan Wszechświata”.
To najlepszy jak dotąd dowód na siłę rejonizacji, ale pozostaje jeszcze wiele do zrobienia. Naukowcy przyjrzeli się małemu skrawkowi nieba; Muszą upewnić się, że ich próbka nie jest tylko anomalnym zbiorem galaktyk karłowatych, ale reprezentatywną próbą całej populacji u progu kosmicznego świtu.
Zamierzają zbadać więcej obszarów kosmicznych soczewek na niebie, aby uzyskać szerszą próbkę wczesnych gromad galaktyk. Ale tylko w przypadku tej próbki wyniki były niewiarygodnie dramatyczne. Naukowcy szukają odpowiedzi na temat rejonizacji, odkąd o niej wiemy. Jesteśmy o krok od całkowitego usunięcia mgły.
„Dzięki Teleskopowi Kosmicznemu Jamesa Webba wkroczyliśmy na niezbadane terytorium”. mówi astrofizyk Thimya Nanayakkara Z Politechniki w Swinburne w Australii.
„Ta praca otwiera bardziej ekscytujące pytania, na które musimy odpowiedzieć, starając się opisać ewolucyjną historię naszych początków”.
Badanie zostało opublikowane w Natura.
„Nagradzany beeraholik. Fan Twittera. Podróżnik. Miłośnik jedzenia.