Dvärggalaxer har återjoniserat universum i dess tidigaste tid.

 

Mycket återstår att förstå om universums tidiga historia den tid som kallas återjoniseringens era. Det var en period av mörker utan några stjärnor eller galaxer, fylld med en tät dimma av vätgas fram tills de första stjärnorna joniserade gasen omkring dem och ljuset började färdas genom gasen. Astronomer har tillbringat årtionden med att försöka identifiera de källor som sände ut strålning som var tillräckligt kraftfull för att gradvis rensa bort denna vätedimma som täckte det unga universum.

Ett forskningsprogram med namnet Ultradeep NIRSpec och NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization (UNCOVER) arbetade med både avbildning och spektroskopiska observationer av linsklustret från Abell2744.  Abell 2744 är en samling av galaxer.

 Ett internationellt team av astronomer använde gravitationslinsning på detta mål, även känt som Pandoras hop för att undersöka källorna till universums återjonisering. Gravitationslinsen förstorar och förvränger utseendet på avlägsna galaxer, så att de ser väldigt annorlunda ut och ses närmre än de i förgrunden.

Galaxhopens "lins" är så massiv att den förvränger själva rymden så mycket att ljus från avlägsna galaxer som passerar genom den förvrängda rymden också får ett förvrängt utseende. Förstoringseffekten gjorde det möjligt för teamet att studera mycket avlägsna ljuskällor bortom Abell 2744, vilket avslöjade åtta extremt ljussvaga galaxer som varit omöjliga att upptäcka, även för Webbteleskopet.

Forskarlaget fann att dessa ljussvaga galaxer är enorma producenter av ultraviolett ljus, på nivåer som är fyra gånger högre än vad man tidigare antagit möjligt. Det betyder att de flesta fotoner som återjoniserade universum sannolikt kom från dvärggalaxer.

– Upptäckten avslöjar den avgörande roll som ultraljussvaga galaxer spelade i det tidiga universums utveckling, beskriver Iryna Chemerynska vid Institut d'Astrophysique de Paris i Frankrike. – De producerade joniserande fotoner som omvandlade neutralt väte till joniserad plasma till kosmisk återjonisering. Det belyser vikten av att förstå galaxer med låg massas betydelse i universums historia.

"Dessa kosmiska kraftpaket avger tillsammans mer än tillräckligt med energi för att återjonisera", tillade teamledaren Hakim Atek, också från Institut d'Astrophysique de Paris och huvudförfattare till artikeln som beskriver detta resultat. Trots sin ringa storlek är dessa galaxer med låg massa produktiva producenter av energirik strålning och deras förekomst under denna period är så betydande att deras kollektiva inflytande kunde förändra hela universums tillstånd.

För att komma fram till denna slutsats kombinerade teamet först extremt känsliga Webb-avbildningsdata med bilder av Abell 2744 från NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble för att välja ut extremt ljussvaga galaxkandidater under återjoniseringens epok.

Detta följdes av spektroskopi med Webbs Near-InfraRed Spectrograph (NIRSpec). Instrumentets Multi-Shutter Assembly användes för att fånga flera spektra av dessa ljussvaga galaxer. Det här är första gången som forskare på ett tillförlitligt sätt har upptäckt hur vanliga ljussvaga galaxer är. Resultaten bekräftar att de var den vanligaste typen av galaxer under återjoniseringsepoken. Detta är också första gången som dessa galaxers joniserande kraft har mätts vilket gjorde det möjligt för astronomerna att fastställa att de producerade tillräckligt med energirik strålning för att jonisera det unga universum.

Bild vikipedia Schematisk tidslinje över universum, som visar återjoniseringens plats i den kosmiska historien.

Galaxers viktiga betydelse under det tidiga universum

 

I det unga universum var gasen mellan stjärnor och galaxer ogenomskinlig. Stjärnljus kunde inte ses från en stjärna till nästa. Vi kan inte se in i denna tid. Men 1 miljard år efter bigbang hade gasen blivit helt genomskinlig.  Det gick att se universums stjärnor likt vi kan se dem i dag.

Nya data från NASA: s James Webb Space Telescope har identifierat orsaken: Galaxernas stjärnor hade då emitterat tillräckligt med ljus för att värma och jonisera gasen runt dem vilket rensade upp joniseringens täta skymning under en tidsrymd av hundratals miljoner år.

Citerar från vikipedia för att förklara hur Webbtelekopet ser. "Teleskopet är ett IR-teleskop vilket innebär att det registrerar infraröd strålning. Det har även förmåga att uppfatta delar av det synliga ljuset. Fördelar med observationer i infrarött är att det är lättare att tränga genom regioner fyllda av rymdstoft samt att kalla objekt som bruna dvärgar och exoplaneter primärt utsänder sin strålning i infrarött. Dessutom blir det betydligt lättare att observera det unga universum eftersom de tidigaste objekten är rödförskjutna på grund av universums expansion". Slut citat.

Studien från en forskargrupp ledd av Simon Lilly från ETH Zürich i Schweiz, är de senaste insikterna om en tidsperiod som kallas återjoniseringstiden 

Forskare har länge sökt definitiva bevis för att förklara omvandlingen. De nya resultaten visar  återjoniseringsperioden. Webbteleskopet visar inte bara tydligt att dessa transparenta regioner fanns runt galaxer, vi har också mätt hur stora de var, beskriver Daichi Kashino från Nagoya University i Japan, huvudförfattaren till lagets första studier. I Webbs data ser vi då hur galaxer återjoniserar gasen runt dem.

Webbs data visar att dessa tidiga relativt små galaxer drev återjoniseringen och rensade massiva områden i rymden runt dem. Under de kommande hundra miljoner åren fortsatte dessa transparenta "bubblor" att växa sig större och större och så småningom smälta samman och få hela universum att bli transparent (och universum möjligt att se). Lillys team riktade avsiktligt in på en tid strax före slutet av återjoniseringeran då  universum inte var helt ljusgenomsläppligt och inte riktigt ogenomskinligt då det innehöll ett lapptäcke av gas i olika tillstånd.

Forskare riktade Webb i riktning mot en kvasar - ett extremt lysande aktivt supermassivt svart hål. 

Denna kvasars ljus färdades mot oss genom skilda gasfält absorberades det antingen av gas som var ogenomskinlig eller rörde sig fritt genom transparent gas. Teamets banbrytande resultat var endast möjliga genom att para ihop Webbs data med observationer från den centrala kvasaren med hjälp av  W. M. Keck-observatoriet på Hawaii och Europeiska sydobservatoriets Very Large Telescope och Magellan-teleskopet vid Las Campanas-observatoriet, sistnämnda i Chile. "Genom att belysa gas längs denna siktlinje ger kvasaren oss omfattande information om gasens sammansättning och tillstånd, beskrev Anna-Christina Eilers från MIT i Cambridge, Massachusetts.

Forskarna använde sedan Webb för att identifiera galaxer nära denna siktlinje och visade att galaxerna i allmänhet är omgivna av transparenta områden med cirka 2 miljoner ljusårs radie. Med andra ord bevittnade Webb galaxer i färd med att rensa utrymmet runt dem i slutet av återjoniseringstiden (och då ses i optiska telekop). För att sätta detta i perspektiv är området som dessa galaxer har rensat ungefär som utrymmet mellan Vintergatan och vår närmaste granne, Andromedagalaxen.

Fram till nu hade forskare inte hittat definitiva bevis på vad som orsakade återjoniseringen först med data från Webbteleskopet förstod man.

Det mest massiva svarta hål som är känt i det tidiga universum väger 10 miljarder gånger mer än solens massa. Vi kan fortfarande inte förklara hur kvasarer kunde växa sig så stora så tidigt i universums historia, skriver Eilers.

Teamets första publikationer inkluderar "EIGER I. ett stort urval av emitterande galaxer vid 5,3 < z < 6,9 och direkta bevis för lokal återjonisering av galaxer", ledd av Kashino, "EIGER II. första spektroskopiska karakteriseringen av unga stjärnor och joniserad gas associerad med stark Hβ- och [OIII]-linjeemission i galaxer vid z = 5 - 7 med JWST", ledd av Matthee, och "EIGER III. JWST/NIRCam observationer av den ultralysande högrödförskjutningskvasaren J0100+2802", ledd av Eilers och som att publicerades i The Astrophysical Journal den 12 juni 2023.

Bild från https://hmn.wiki/sv/Reionization av en Schematisk tidslinje för universum som visar återjoniseringens plats i den kosmiska historien

Astronomer identifierar en möjlig ledtråd till Återjoniseringen av universum efter BigBang

 

Jonisering i detta fall innebär att en eller flera elektroner i en atom tas bort så att atomen får en positiv laddning. Fotojonisation är excitation av ljus och sker enligt samma lagar som fotoelektrisk effekt i metall. Det krävs en viss energi för att jonisera en atom. Denna mängd energi kallas joniseringsenergi. Joniseringsenergin varierar mellan olika atomslag. Energin som krävs för att en elektron ska lämna atomen är mindre desto längre ut elektronen är från atomkärnan då kärnan då inte lika hårt håller  kvar elektronen. Återjonisering i detta fall innebär en återgång till stadiet innan motsatsen skedde. Stadiet med positiva kärnor vilket blev resultatet måste finnas för vårt universum som vi känner det.

Kan dessa skeenden vara en förklaring till den i dag saknade antimaterien (min anm.)? Var universum bestående av antimateria innan ovanstående skedde eller var återjoniseringen en effekt som enbart drabbade antimateria? Var materia som vi känner den uppbyggd som det som först skapades men som övergick till antimateria för att sedan  återjoniseras till materia? Varför i så fall?

Joniseringen skedde som  BigBangs återjoniseringen omkring 400000 år efter att universum skapades (BigBang). En period som kallas "reionization of universe". Under denna tid började det en gång heta universumet svalna och materia klumpas ihop och bilda de första stjärnorna och galaxerna. När dessa stjärnor och galaxer uppstod värmde energin av detta den omgivande miljön och en del av det återstående vätet i universum.

Universums återjonisering är välkänd men att förstå hur det kunde ske har varit svårt att förstå. För att lära sig mer om detta har astronomer riktat teleskop bortom vintergatan för ledtrådar. I en ny studie identifierade astronomer vid University of Iowa en trolig källa att forska inom i en serie galaxer som kallas Lyman kontinuumgalaxer 

 

Här misstänks ledtrådar  finnas om hur universum återjoniserades. I studien identifierade astronomerna ett svart hål där med ett ljus av en miljon gånger svagare slag än vår sol ger ett svart hål som kan ha liknat källorna som drev universums återjonisering. Det svarta hålet fann man med hjälp av observationer gjorda i februari 2021 av NASA: s flaggskepp inom röntgenstrålobservation Chandra X-ray observatory, ett observatorium tillräckligt kraftfullt för att stansa kanaler i en galax i sitt sökande så  ultravioletta fotoner kan hittas och observeras enklare.

– Antagandet är att utflöden från svarta hål kan vara viktiga för att möjliggöra flykt av ultraviolett strålning från galaxer som återjoniseras i det intergalaktiska mediet, säger Phil Kaaret, professor och ordförande vid institutionen för fysik och astronomi och studiens författare.

"Vi kan ännu inte se källorna som faktiskt är anledningen till universums återjonisering eftersom de är för långt borta," säger Kaaret. "Vi tittade därför på en närliggande galax med egenskaper som liknar de galaxer som bildades i det tidiga universum. En av de främsta anledningarna till att James Webb Space Telescope byggdes var att försöka se galaxerna som var källorna som drev universums återjonisering. Man beräknar att James Webb teleskopet ska se  längre bort i tid och rum än något tidigare teleskop kunnat (min anm.).

Bild flickr.com ut i universum.