James Webb opdager tidligste tegn på at Universet bliver gennemsigtigt

Født i flammer, afkølet ved udvidelse, og kollapset ved klumpethed.

Dette er Universet i en nøddeskal.

Nogle få hundrede millioner år efter Big Bang kondenserede de første stjerner og galakser ud af kolossale gasskyer. Præcis hvornår er et emne for intens forskning, men indtil videre har astronomer opdaget galakser helt tilbage til mindre end 300 millioner år efter Big Bang.

Nu viser en af disse allerførste galakser sig at afsløre et interessant faktum om Universet:

Risiko for tæt tåge med lav sigtbarhed

En af grundene til, at det er så svært at detektere de første galakser, er netop pga. den gas de dannes af.

Nyfødte galakser skinner klarest i det energirige ultraviolette lys, eller UV. Men i løbet af omtrent den første halve milliard år var gassen, der omsluttede galakserne og lå mellem dem, neutral. Fordi neutralt gas absorberer UV-lys meget effektivt, betyder dét, at kun det svagere, mindre energirige lys kan slippe gennem tågen. Dette gør observationer af de første galakser ekstremt udfordrende.

Galakser set i disse tidligere epoker er simpelthen usynlige i de korte UV-bølgelængder.

Tågen letter

Efterhånden som UV-stråling fra de første lyskilder udsendes, begynder det langsomt at transformere Universet. De neutrale atomer der skjuler galakserne splittes ad af UV-lyset, og Universet bliver til sidst gennemsigtigt.

Denne proces kaldes “re-ioniserings-epoken”, og dens præcise omstændigheder er genstand for intens forskning i astronomi: Hvornår startede det, hvor lang tid varede det, hvordan forløb det, og hvilke kilder var skyld i det?

Indtil for nylig var konsensus at reioniseringen ikke tog fat, før Universet var omkring en halv milliard år gammelt, og var overstået endnu en halv milliard år senere.

Men denne opfattelse udfordres nu af et nyt studie, ledet af astronomer ved Cosmic Dawn Center (DAWN) ved Niels Bohr Institutet og DTU Space. Ved at undersøge en af de fjerneste galakser har forskerne fundet et tydeligt tegn på, at reioniseringen begyndte betydeligt tidligere end hidtil antaget.

Joris Witstok, postdoc ved DAWN og leder af studiet, forklarer:

“Unge galakser skinner allerklarest ved en helt særlig bølgelængde, som kommer fra hydrogen. I astronomi kalder vi dette lys “Lyman alpha”. På grund af dets korte UV-bølgelængde absorberes det let af det omgivende medium, og derfor har ingen galakser fra dengang, Universet var mindre end en halv milliard år gammelt, nogensinde vist os denne type lys.”

Galaktisk bobler

Det vil sige, indtil nu.

Hvad Witstok og hans hold fandt var, at en af de allerfjerneste galakser, kendt som  JADES-GS-z13-1, lyser strålende med Lyman alpha-lys.

Men hvordan kan Lyman alpha undslippe en galakse indhyllet i tæt, neutral gas?

“Vi ved fra vores teorier og computersimuleringer, såvel som fra observationer af senere epoker, at det mest energirige UV-lys fra galakserne »steger« det omgivende neutrale gas og danner bobler af ioniseret, gennemsigtig gas omkring sig,” uddybe Witstok. “Disse bobler gennemtrænger Universet, og efter omkring en halv milliard år overlapper de til sidst hinanden og fuldender reioniserings-epoken. Vi tror, at vi har fundet en af de første af disse bobler.”

Med andre ord er påvisningen af Lyman alpha-lys en afslørende signatur af en ioniseret boble, fordi det ellers ikke ville være i stand til at undslippe.

Kun med Webb

Observationerne ville ikke have været mulige uden James Webbs følsomhed og dens evne til at udforske lyset fra galakser, bølgelængde for bølgelængde.

“Vi vidste, at vi ville finde nogle af de fjerneste galakser, da vi byggede Webb,” siger Peter Jakobsen, affilieret professor ved DAWN, projektleder bag James Webbs spektrograf NIRSpec og andenforfatter på undersøgelsen. “Men vi kunne kun drømme om en dag at kunne undersøge dem så detaljeret, at vi nu kan se direkte, hvordan de påvirker hele Universet.”

Tilbage ligger spørgsmålet om, hvad der præcist er årsagen til den ioniserede boble. Selvom de første stjerner menes at være meget varme og ekstremt UV-lysstærke, er der en anden mulighed:

“De fleste galakser er kendt for at være vært for et centralt, supertungt sort hul. Når disse monstre opsluger omgivende gas, opvarmes gassen til millioner af grader, hvilket får det til at lyse klart i røntgenstråler og UV, før det forsvinder for altid. Dette er en anden plausibel årsag til boblerne, som vi nu vil undersøge," afslutter Witstok.