Niewielkie galaktyki skrywają tajemnicę kosmicznej rejonizacji

galaktyki_karlowate

Nowopowstałe galaktyki karłowate były prawdopodobnie powodem podgrzania Wszechświata około 13 miliardów lat temu – takie wnioski prezentuje międzynarodowy zespół naukowców. Odkrycie otwiera nową ścieżkę dla lepszego zrozumienia wczesnego etapu historii Wszechświata.

W okresie kilkuset tysięcy lat po Wielkim Wybuchu wszechświat był na tyle gorący i gęsty, że materia w nim była zjonizowana. Jednak 380 000 lat później rozszerzanie Wszechświata ochłodziło go na tyle, że materia przyjęła stan neutralny i zaczęły powstawać pierwsze struktury – obłoki gazowe składające się z wodoru i helu. Wtedy to grawitacja umożliwiła tym obłokom nabieranie masy, które doprowadzało do kolapsu i powstawania pierwszych gwiazd i galaktyk. Wtedy około miliarda lat po Wielkim Wybuchu doszło do kolejnej istotnej transformacji: Wszechświat uległ podgrzaniu i wodór – najpowszechniej występujący pierwiastek – uległ zjonizowaniu po raz drugi, tak jak po Wielkim Wybuchu – to wydarzenie nazywane jest przez astronomów „kosmiczną rejonizacją”. Wciąż nie określono w jaki sposób do tego doszło.

Astronomowie od dawna uważali, że galaktyki są odpowiedzialne za tą transformację.

Międzynarodowy zespół naukowców zorganizowany przez astronoma Trinh Thuan z University of Virginia w dużej mierze potwierdził tą hipotezę w artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie Nature. Członkami zespołu naukowego byli naukowcy z Ukrainy, Republiki Czeskiej, Szwajcarii, Francji i Niemiec.

Wykorzystując dane zarejestrowane przez spektrometr ultrafioletowy zainstalowany na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Hubble’a zespół zauważył, że pobliska kompaktowa galaktyka karłowata emituje dużą ilość jonizujących fotonów do ośrodka międzygalaktycznego czyli przestrzeni między galaktykami. Naukowcy uważają, że te fotony odpowiedzialne są za rejonizację wszechświata.

„Ta galaktyka wydaje się być doskonałym lokalnym odpowiednikiem licznych galaktyk karłowatych, które uważa się za odpowiedzialne za rejonizację wczesnego Wszechświata,” powiedział Trinh. „Odkrycie to jest istotne ponieważ jest to idealne miejsce do badania fenomenu rejonizacji, który miał miejsce w początkach historii Wszechświata takiego jaki znamy dzisiaj.”

Normalna materia we wczesnym wszechświecie składała się zasadniczo z gazu. Gwiazdy i gromady gwiazd powstają z obłoków gazu formując w ten sposób pierwsze galaktyki. Ultrafioletowe promieniowanie emitowane przez te gwiazdy zawiera liczne fotony jonizujące. Z tego też powodu naukowcy od dawna przypuszczali, że galaktyki były odpowiedzialne za kosmiczną rejonizację. Niemniej jednak, aby doszło do rejonizacji, galaktyki muszą emitować te fotony w przestrzeń międzygalaktyczną; w przeciwnym razie są one z łatwością pochłaniane przez gaz i pył zanim zdołają uciec z galaktyki. Pomimo 20 lat intensywnych poszukiwań nie udało się odkryć ani jednej galaktyki emitującej wystarczające ilości promieniowania jonizującego, a mechanizm który doprowadził do rejonizacji pozostaje tajemnicą.

Aby rozwiązać ten problem międzynarodowy zespół badawczy zaproponował obserwowanie galaktyk tzw. „ziaren zielonego grochu”. Odkryte w 2007 roku galaktyki tego typu reprezentują szczególną i rzadką klasę obiektów w pobliskim wszechświecie. Czujniki promieniowania rejestrują je jako zielone, okrągłe i kompaktowe obiekty – podobne do zielonego groszku. Uważa się, ze są one źródłem gwiezdnych eksplozji lub wiatrów wystarczająco silnych, aby emitować na zewnątrz jonizujące fotony.

Zespół przebadał dane zebrane w przeglądzie nieba Sloan Digital Sky Survey – bazie danych obejmującej ponad milion galaktyk. W tychże danych zudało się zidentyfikować około 5000 galaktyk, które spełniają te kryteria: bardzo kompaktowe galaktyki emitujące bardzo intensywne promieniowanie UV. Naukowcy wybrali pięć galaktyk, które następnie obserwowali za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.

Dzięki zdolności wykrywania promieniowania UV przez teleskop Hubble’a zespół badawczy zdołał stwierdzić, że galaktyka J0925+1403 znajdująca się ok. trzech miliardów lat świetlnych od Ziemi, emituje jonizujace fotony z niespotykaną dotychczas intensywnością – to około 8 procent całej emisji. To fundamentalne odkrycie wskazuje, że galaktyki tego typu mogą wytłumaczyć kosmiczną rejonizację potwierdzając tym samym najpowszecheniej przyjmowane wytłumaczenie tego fenomenu.

„Wraz z kolejnymi obserwacjami za pomocą teleskopu Hubble’a mamy nadzieje lepiej zrozumieć w jaki sposób fotony uwalniają się z tego typu galaktyk oraz określone typy galaktyk napędzające rejonizację,” powiedział Trinh. „To dla nas kluczowe obserwacje w procesie cofania się w czasie do wczesnego wszechświata. Sa to obserwacje, które utorowały drogę przyszłym obserwacjom za pomocą następcy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a czyli za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, którego start planowany jest na 2018 rok. Wszak jest to teleskop, który może zrewolucjonizować całą dziedzinę dzięki dużo większym możliwościom uchwycania szczegółów pierwszych galaktyk i źródeł kosmicznej rejonizacji.”

Więcej informacji: nature.com/articles/doi:10.1038/nature16456

Źródło: phys.org/Nature