(Goddard Space Flight Center der NASA) Etwa 370.000 Jahre nach dem Urknall erlebte das Universum eine Zeit, die Kosmologen als „kosmisches dunkles Zeitalter“ bezeichnen.
Während dieser Zeit wurde das Universum von einem heißen, dichten Plasma verdeckt, das alles sichtbare Licht verdunkelte und es für Astronomen unsichtbar machte.
Als sich in den nächsten hundert Millionen Jahren die ersten Sterne und Galaxien bildeten, ionisierte die von ihnen emittierte Strahlung dieses Plasma und machte das Universum transparent.
Eines der größten kosmologischen Rätsel ist derzeit der Beginn der „kosmischen Reionisierung“. Um das herauszufinden, haben Astronomen tiefer in den Kosmos (und weiter zurück in die Zeit) geschaut, um die ersten sichtbaren Galaxien zu entdecken.
Dank an neue Forschung Von einem Astronomenteam des University College London (UCL) wurde eine leuchtende Galaxie beobachtet, die vor 13 Milliarden Jahren das intergalaktische Medium reionisierte.
Die Forschung wurde letzte Woche (2. Juli) während der Jahrestagung der vorgestellt Europäische Astronomische Gesellschaft (EAS) – wegen der Pandemie , das diesjährige Treffen war virtuell.
Im Verlauf ihrer Präsentation teilten Romain Meyer (Doktorand am UCL und Hauptautor der Studie) und seine Kollegen ihre Ergebnisse mit, die den ersten stichhaltigen Beweis dafür darstellen, dass die Reionisierung vor 13 Milliarden Jahren abgeschlossen war.
Das Universum gemäß dem, was wir durch unsere Teleskope erkennen können. (NASA)
Das für diese Entdeckung verantwortliche Team wurde geleitet von Romain Meyer , ein Doktorand der UCL Astrophysics Group. Er wurde von UCL-Forschern begleitet Dr. Nicolas Laporte , Und Prof. Richard S. Ellis , sowie Professor Anne Verhamme Und Dr. Thibault Garel der Universität Genf. Ihre Ergebnisse sind auch Gegenstand eines kürzlich eingereichten Papiers Die monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society .
Die Untersuchung von Galaxien, die in dieser frühen Phase des Universums existierten, ist für das Verständnis der Ursprünge des Kosmos und seiner anschließenden Entwicklung von entscheidender Bedeutung.
Nach unseren aktuellen kosmologischen Modellen entstanden die ersten Galaxien aus verschmelzenden Sternhaufen, die wiederum entstanden, als die ersten Sterne im Universum zusammenkamen.
Im Laufe der Zeit strahlten diese Galaxien Strahlung aus, die dem neutralen Gas im intergalaktischen Medium (IGM) seine Elektronen entzog (auch bekannt als Ionisierungsprozess). Astronomen wissen das, weil wir klare Beweise dafür haben, in Form des kosmischen Dunklen Zeitalters und der Art und Weise, wie das Universum heute transparent ist.
Die Schlüsselfragen, wie und wann dies alles geschah, bleiben jedoch unbekannt. Wie Dr. Meyer Universe Today per E-Mail sagte:
„Indem wir entfernte Galaxien betrachten, blicken wir in das frühe Universum, da das Licht Milliarden von Jahren gereist ist, bevor es uns erreicht.“ „Das ist fantastisch, da wir sehen können, wie Galaxien vor Milliarden von Jahren aussahen, aber es bringt mehrere Nachteile mit sich.“
Erstens, erklärte Meyer, seien entfernte Objekte sehr lichtschwach und könnten nur mit den leistungsstärksten boden- und weltraumgestützten Teleskopen beobachtet werden.
In dieser Entfernung gibt es auch das heikle Problem der Rotverschiebung, bei der die Ausdehnung des Kosmos dazu führt, dass die Wellenlänge des Lichts entfernter Galaxien in Richtung des roten Endes des Spektrums gestreckt wird.
Galaxy A370p_z1 mit Vergrößerung durch jeden Filter. (NASA/ESA/Z. Levay/STSci)
Bei Galaxien, die mehrere Milliarden Jahre alt sind, wurde das Licht so weit verschoben, dass es nur noch sichtbares Infrarot ist (insbesondere das UV-Licht, nach dem Meyer und seine Kollegen suchten).
Um einen guten Blick auf A370p_z1 zu werfen, eine leuchtende Galaxie in 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung, konsultierte das Team die Daten von Hubble-Grenzfelder Programm – welches Astronomen noch analysieren.
Die Hubble-Daten deuteten darauf hin, dass diese Galaxie stark rotverschoben war, was darauf hindeutet, dass sie besonders alt war.
Anschließend führten sie Folgebeobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) durch, um ein besseres Gefühl für die Spektren dieser Galaxie zu bekommen. Sie suchten insbesondere nach der hellen Linie, die von ionisiertem Wasserstoff emittiert wird und als Lyman-Alpha-Linie bekannt ist. Meyer sagte:
„Die große Überraschung war, dass es sich bei dieser Linie, die bei 9480 Angström entdeckt wurde, um eine Doppellinie handelte.“ Dies ist in frühen Galaxien äußerst selten zu finden, und dies ist erst die vierte Galaxie, von der wir wissen, dass sie in den ersten Milliarden Jahren eine doppelte Lyman-Alpha-Linie aufwies. „Das Schöne an doppelten Lyman-Alpha-Linien ist, dass man daraus eine sehr wichtige Menge früher Galaxien ableiten kann: den Anteil energiereicher Photonen, die sie in das intergalaktische Medium entweichen lassen.“
Eine weitere große Überraschung war die Tatsache, dass A370p_z1 offenbar 60 bis 100 Prozent seiner ionisierten Photonen in den intergalaktischen Raum ließ und wahrscheinlich für die Ionisierung der IGM-Blase um ihn herum verantwortlich war.
Galaxien, die näher an der Milchstraße liegen, haben typischerweise Fluchtanteile von etwa 5 Prozent (in einigen seltenen Fällen 50 Prozent), aber Beobachtungen des IGM deuten darauf hin, dass frühe Galaxien im Durchschnitt einen Fluchtanteil von 10 bis 20 Prozent gehabt haben müssen.
Diese Entdeckung war äußerst wichtig, da sie dazu beitragen könnte, eine laufende Debatte in kosmologischen Kreisen zu lösen.
Die Frage, wann und wie die Reionisierung stattgefunden hat, führte bisher zu zwei möglichen Szenarien.
In einem Fall handelte es sich um eine Population zahlreicher schwacher Galaxien, die etwa 10 Prozent ihrer energiereichen Photonen ausstrahlten. Im anderen Fall handelte es sich um eine „Oligarchie“ leuchtender Galaxien mit einem viel größeren Prozentsatz (50 Prozent oder mehr) austretender Photonen.
In beiden Fällen deuten die bisherigen Beweise darauf hin, dass sich die ersten Galaxien stark von den heutigen unterschieden.
„Die Entdeckung einer Galaxie mit nahezu 100-prozentiger Flucht war wirklich schön, weil sie bestätigt, was Astrophysiker vermuteten: Frühe Galaxien unterschieden sich stark von heutigen Objekten und ließen energiereiche Photonen viel effizienter austreten“, sagte Meyer.
Die Untersuchung von Galaxien aus der Reionisierungszeit auf Lyman-Alpha-Linien war schon immer schwierig, da sie von neutralem Gas umgeben sind, das die charakteristische Wasserstoffemission absorbiert.
Allerdings haben wir jetzt starke Beweise dafür, dass die Reionisierung 800 Millionen Jahre nach dem Urknall abgeschlossen war und dass wahrscheinlich einige leuchtende Galaxien dafür verantwortlich waren.
Wenn das, was Meyer und seine Kollegen beobachteten, typisch für Galaxien aus der Zeit der Reionisierung ist, können wir davon ausgehen, dass die Reionisierung durch eine kleine Gruppe von Galaxien verursacht wurde, die große Blasen aus ionisiertem Gas um sie herum erzeugten, die wuchsen und sich überlappten.
Wie Meyer erklärte, könnte diese Entdeckung den Weg zur Schaffung eines neuen kosmologischen Modells weisen, das genau vorhersagt, wie und wann große Veränderungen im frühen Universum stattfanden:
Diese Entdeckung bestätigt, dass frühe Galaxien beim Austritt ionisierender Photonen äußerst effizient sein könnten, was eine wichtige Hypothese unseres Verständnisses der „kosmischen Reionisierung“ ist – der Epoche, in der das intergalaktische Medium vor 13 Milliarden Jahren von neutral zu ionisiert überging (z. B. Elektronen). von diesen energiereichen Photonen Wasserstoffatome abgerissen).
Laut Meyer müssen mehr Objekte wie A370p_z1 gefunden werden, damit Astronomen die durchschnittlichen Fluchtanteile früher Galaxien ermitteln können.
In der Zwischenzeit wird der nächste Schritt darin bestehen, herauszufinden, warum diese frühen Galaxien so effizient energiereiche Photonen austreten ließen.
Es wurden mehrere Szenarien vorgeschlagen, und ein genauerer Blick auf das frühe Universum wird es Astronomen ermöglichen, sie zu testen.
Wie Meyer sicher anmerkte, wird ein Großteil davon von den Teleskopen der nächsten Generation abhängen, die sehr bald ins All fliegen werden. Das bemerkenswerteste davon ist das James Webb-Weltraumteleskop (JWST), dessen Start (nach mehreren Verzögerungen) immer noch für nächstes Jahr geplant ist.
Hierin liegt eine weitere Bedeutung für Studien wie diese: Sie helfen dem Team von James Webb bei der Entscheidung, welche kosmologischen Geheimnisse erforscht werden sollen.
Zeitleiste des Universums. Neutrinos beeinflussten das CMB, als es emittiert wurde. (NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky/GSFC)
„Mit dem James Webb-Weltraumteleskop werden wir dieses Ziel tiefer im Infraroten verfolgen, um Zugang zu dem zu erhalten, was ursprünglich im optischen Licht emittiert wurde“, sagte Meyer.
„Das wird uns mehr Einblick in die physikalischen Mechanismen geben, die in frühen Galaxien ablaufen.“ Die Mission von JWST ist zeitlich begrenzt, und deshalb ist es so wichtig, diese extremen Objekte jetzt zu entdecken: Wenn wir wissen, welche Objekte in den ersten Milliarden Jahren unseres Universums eigenartig oder extrem sind, werden wir wissen, worauf wir achten müssen, wenn JWST endlich gestartet ist!“
Vor uns liegen aufregende Zeiten für Astronomen, Astrophysiker, Exoplanetenjäger, SETI-Forscher und Kosmologen. Es ist schwer zu wissen, wer sich am meisten freuen sollte, aber irgendetwas sagt mir, das wäre so, als würde man Eltern fragen, welches ihrer Kinder sie am meisten lieben. Die Antwort lautet zwangsläufig immer: „Alle!“
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Universum heute . Lies das originaler Artikel .