Galaktyki karłowate spowodowały powtórną jonizację Wszechświata

Międzynarodowy zespół naukowców użył Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) do wykonania pierwszych spektroskopowych obserwacji najsłabszych galaktyk z okresu pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

Z badań ewolucji Wszechświata wiadomo, że jego początki można podzielić na kilka istotnych przedziałów czasu. Jednym z kluczowych wydarzeń było wyjście z fazy, w której kosmos był bez gwiazd i galaktyk, wypełniony gęstą mgłą wodoru. Był to okres ciemności, gdyż promieniowanie nie mogło swobodnie podróżować przez kosmos. Dopiero gdy pierwsze gwiazd zjonizowały materię wokół siebie, wtedy światło mogło przemieszczać się na dalsze odległości. Od dziesiątek lat astronomowie próbują dociec szczegółów tego etapu i ustalić źródła promieniowania, które było wystarczająco potężne, aby wyczyścić wodorową mgłę przesłaniającą Wszechświat.

Okres ten zwany jest epoką wtórnej jonizacji. Czasami używa się też określenia "era rejonizacji". Mowa tu o powtórnej jonizacji, bowiem na samych początkach kosmos był tak gorący, że wypełniająca go materia była zjonizowana. Dopiero gdy schłodził się odpowiednio, elektrony i protony utworzyły neutralne atomy, tworząc gaz wodorowy.

W ramach programu obserwacyjnego Ultradeep NIRSpec and NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization (UNCOVER) uzyskano zdjęcia oraz przeprowadzono obserwacje spektroskopowe soczewkującej grawitacyjnie gromady galaktyk Abell 2744, znanej też jako Gromada Pandory.

Soczewkowanie grawitacyjne jest zjawiskiem, które powoduje wzmocnienie i zaburzenie wyglądu bardzo dalekich obiektów, jeśli na linii widzenia znajduje się jakaś masa. Gromada galaktyk jest tak masywna, że powoduje soczewkowanie galaktyk położonych daleko za nią i w ten sposób pomaga naukowcom w badaniach bardzo dalekiego kosmosu.

Z badań okazało się, że słabe galaktyki są ogromnymi producentami promieniowania jonizującego na poziomie czterokrotnie większym niż wcześniej przypuszczano. Oznacza to, że większość fotonów, które spowodowały jonizację Wszechświata pochodzi zapewne z galaktyk karłowatych. Badacze uważają, że słabe galaktyki wspólnie wyprodukowały więcej promieniowania niż było potrzebne do jonizacji.

Zespół, którym kierował Hakim Atek z Paryskiego Instytutu Astrofizycznego, CNRS i Uniwersytetu Sorbony, najpierw połączył ultragłębokie zdjęcia z Teleskopu Webba z obrazami z Teleskopu Hubble'a, aby ustalić kandydatki do badań. Następnie wykonano obserwacje spektroskopowe. Udało się potwierdzić, że słabe galaktyki są najbardziej rozpowszechnioną populacją galaktyk w okresie epoki wtórnej jonizacji. Zmierzono również ich moc jonizowania materii. Zbadane galaktyki są ponad 100 razy słabsze niż Droga Mleczna.

Naukowcy mają plany zrealizowania kolejnego programu obserwacyjnego, nazwanego GLIMPSE. W jego ramach dokonają najgłębszych w historii obserwacji nieba. Celem będzie gromada galaktyk Abell S1063.

Wyniki badań opublikowano w "Nature" (https://www.nature.com/articles/s41586-024-07043-6).

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba to projekt NASA, realizowany we współpracy m.in. z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).