Forskare har använt ESO:s jätteteleskop VLT för att göra flera nedslag i tiden då universum blev genomskinligt för ultraviolett ljus. Denna korta men dramatiska fas i den kosmiska historien, som ägde rum för cirka 13 miljarder år sedan, kallas återjoniseringens tidsålder. Genom att studera några av de mest avlägsna galaxerna som någonsin upptäckts kunde forskarna för första gången upprätta en tidslinje för återjoniseringen. De kunde dessutom bevisa att denna fas måste ha varit kortare än vad astronomer tidigare har trott.
Ett internationellt astronomteam använde VLT som en tidsmaskin, för att titta tillbaka in i det unga universum och observera ett flertal av de mest avlägsna galaxer som någonsin upptäckts. Efter att ha mätt pålitliga avstånd till galaxerna konstaterar de att vi ser dem som de var mellan 780 miljoner och en miljard år efter big bang.
De nya observationerna har för första gången gjort det möjligt för astronomer att upprätta en tidslinje för det som kallas återjoniseringens tidsålder. Under denna fas i det tidiga universum höll dimman av vätgas på att skingras. Först då kunde ultraviolett ljus passera obehindrat genom universum.
De nya forskningsresultaten, som kommer att publiceras i tidskriften Astrophysical Journal, bygger på en lång och systematisk sökning efter avlägsna galaxer som teamet har genomfört med VLT under de senaste tre åren.
Adriano Fontana vid INAF:s Astronomiska observatoriet i Rom ledde projektet.
– Arkeologer kan återskapa en tidslinje av det förflutna utifrån artefakterna som de hittar i olika lager av jordmån. Astronomer kan gå ett steg längre: vi kan titta direkt mot det avlägsna förflutna och observera det svaga ljuset av olika galaxer vid olika stadier i kosmos utveckling. Skillnaderna mellan galaxerna berättar om hur förhållandena i unversum förändrades under denna viktiga tid, samt hur snabbt förändringarna skedde, förklarar han.
Olika grundämnen lyser klart i karaktäriska färger. Dessa toppar i ljusstyrka kallas emissionslinjer. En av de starkaste ultravioletta emissionslinjerna är linjen Lyman-alfa, som har sitt ursprung i vätgas. Den är tillräckligt ljusstark och lätt att känna igen för att kunna upptäckas i observationer av mycket ljussvaga fjärran galaxer.
När de väl hade fått syn på ljuset från Lyman-alfa-linjen i fem mycket avlägsna galaxer kunde teamet göra två saker. För det första kunde de fastställa galaxernas avstånd genom att observera hur mycket linjen hade förskjutits mot spektrumets röda ända. Därmed kunde de även avgöra hur tidigt efter big bang vi ser dem [5]. Det gjorde i sin tur att galaxerna kunde placeras i tidsordning, och forskarna kunde därmed etablera en tidslinje som visar hur galaxernas ljus utvecklades med tiden. Dessutom kunde de se hur mycket av Lyman-alfa-emissionen – som alstras i glödande vätgas inuti galaxerna – som fångades upp igen, och vid vilka tidpunkter i universums historia detta hände. Det är dimman av oladdade väteatomer, så kallad neutral vätgas, som finns i rymden mellan galaxerna som ligger bakom denna uppfångning.
Laura Pentericci vid INAF:s Astronomiska observatorium i Rom är huvudförfattare till studien.
– Vi ser en dramatisk skillnad i mängden ultraviolett ljus som blockerades om vi jämför de tidigaste och senaste galaxerna i vårt urval. Då universum bara var 780 miljoner år gammalt var denna neutrala vätgas ganska vanligt förekommande och fyllde mellan 10 och 50 procent av universums volym. Men bara 200 miljoner år senare hade mängden neutral vätgas sjunkit till en mycket lägre nivå, som liknar den som vi ser idag. Det verkar som återjoniseringen måste ha ägt rum snabbare än astronomer tidigare har trott, säger hon.
Forskarnas observationer spårar inte bara takten med vilken kosmos urdimma skingrades. De ger även ledtrådar till källorna av det ultravioletta ljuset som var kraften bakom återjoniseringen. Ett antal olika teorier tävlar om att förklara ursprunget till detta ljus. De två ledande kandidaterna är universums första generation av stjärnor och den intensiva strålningen från materia som faller in mot svarta hål.
Eros Vanzella vid INAF Triestes observatorium ingår I forskarteamet.
– En detaljerad analys av det svaga ljuset från två av de mest avlägsna glaxerna som vi hittade tyder på att den allra första generationen av stjärnor kan ha bidragit till energin som vi ser att de alstrar. Dessa skulle ha varit mycket unga och mycket tunga stjärnor, en femtusendedel av solens ålder och hundra gånger dess massa. Kanske kunde de upplösa universums urdimma och göra den genomskinlig, säger han.
För att kunna bevisa eller motbevisa denna hypotes, att stjärnorna kan bidra med tillräcklig energi, krävs mycket noggranna mätningar. Till detta behövs antingen observationer från rymdteleskop eller från ESO:s planerade E-ELT, European Extremely Large Telescope, som kommer att bli världens största öga mot himlen när det är färdigbyggt tidigt under nästa årtionde.
Att studera denna tidiga period i den kosmiska historien är en teknisk utmaning. Tillförlitliga observationer av extremt avlägsna galaxer krävs, något som bara kan utföras med de allra kraftigaste teleskopen. Till den aktuella studien använde teamet VLT, som med sin 8,2-metersspegel har stor ljusinsamlingsförmåga, för att genomföra spektroskopiska observationer av galaxer som tidigare identifierats av NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble och i långa exponeringar gjorda med VLT.
