Wczesny Wszechświat był miejscem o wiele bardziej tajemniczym, niż mogłoby się wydawać. Tuż po Wielkim Wybuchu, a przed erą pierwszych gwiazd i galaktyk, dominował w nim gęsty, nieprzenikniony welon neutralnego wodoru. Ta kosmiczna mgła zasłaniała światło, czyniąc obserwacje niemal niemożliwymi. Przez dekady naukowcy zastanawiali się, co dokładnie przerwało tę ciemność i sprawiło, że kosmos stał się transparentny dla promieniowania ultrafioletowego. Teraz, dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Hubble’a, otrzymaliśmy najbardziej bezpośredni dowód na to, że za ten fundamentalny proces odpowiadały intensywne wybuchy formowania się gwiazd w młodych galaktykach.

W kilka tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat ostygł na tyle, by elektrony mogły połączyć się z protonami, powstał ogromny obłok neutralnego wodoru. Ten gaz działał jak gigantyczna, kosmiczna zasłona, blokując światło ultrafioletowe emitowane przez najwcześniejsze obiekty we Wszechświecie. Era ta, trwająca przez pierwszy miliard lat kosmicznej historii, nazywana jest Epoką Rejonizacji. Nazwa „rejonizacja” nie jest przypadkowa – technicznie rzecz biorąc, gaz był już raz zjonizowany w ciągu pierwszych 379 000 lat po Wielkim Wybuchu, zanim ochłodził się i stał się neutralny.

Astronomowie od dawna podejrzewali dwa główne „winowajców”, którzy mogli wyprodukować wystarczającą ilość promieniowania UV, by zjonizować neutralny wodór i tym samym rozproszyć kosmiczną mgłę. Byli to: aktywne supermasywne czarne dziury lub pierwsze generacje gorących, masywnych gwiazd. Problem polegał na tym, że neutralny wodór tak skutecznie pochłaniał światło UV, że bezpośrednie wykrycie jego źródła było niezwykle trudne.

Przełom, na który czekaliśmy: MXDFz4.4 w blasku UV

W 2023 roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) dokonał znaczącego odkrycia, znajdując galaktykę istniejącą zaledwie 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu, która generowała wystarczającą energię do jonizacji otaczającego ją gazu. Teraz jednak Kosmiczny Teleskop Hubble’a poszedł o krok dalej, dokonując obserwacji, która przez długi czas była uważana za niemożliwą. Hubble wykrył promieniowanie ultrafioletowe pochodzące z galaktyki nazwanej MXDFz4.4.

„Obserwacja galaktyki takiej jak ta była uważana za niemożliwą” – powiedział Ilias Goovaerts ze Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore, który kierował odkryciem. „Badacze spodziewali się, że 'mgła’ neutralnego wodoru, która wypełniała wczesny Wszechświat, będzie zbyt gęsta i zasłoni nam widok jej jonizującego światła. Hubble nie tylko dostrzegł to światło, ale także pomógł ujawnić niesamowite szczegóły dotyczące charakterystyki galaktyki.”

Dlaczego jest to tak doniosłe odkrycie? Ponieważ światło UV z galaktyki MXDFz4.4 powinno być widoczne tylko wtedy, gdy otaczający ją gaz został już zjonizowany. To odkrycie stanowi więc bezpośredni dowód na to, że sama galaktyka MXDFz4.4 aktywnie przyczyniała się do rozproszenia kosmicznej mgły w swoim otoczeniu.

Portret niezwykłej galaktyki

Galaktyka MXDFz4.4 została po raz pierwszy zidentyfikowana w ramach projektu MUSE eXtremely Deep Field (MXDF) za pomocą instrumentu MUSE na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) Europejskiego Obserwatorium Południowego w Chile. Oznaczenie „z4.4” wskazuje na jej przesunięcie ku czerwieni, co oznacza, że obserwujemy ją taką, jaka była 12,37 miliarda lat temu – czyli około 1.4 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Ponieważ Wszechświat od tego czasu się rozszerzył, pierwotne światło ultrafioletowe tej galaktyki zostało przesunięte do zakresu widzialnego, który Hubble był w stanie zarejestrować.

„Astronomowie znaleźli wiele galaktyk, które istniały w tym momencie w historii Wszechświata, ale nie wykryliśmy od żadnej z nich fotonów jonizujących, co czyni MXDFz4.4 jedyną w swoim rodzaju” – podkreśla Marc Rafelski, zastępca kierownika misji Hubble’a w STScI.

MXDFz4.4, choć 100 razy mniejsza od naszej Drogi Mlecznej, tworzy gwiazdy 10 razy szybciej. Wiele z tych gwiazd rodzi się w gęstej, jasnej gromadzie, która jest głównym źródłem promieniowania jonizującego UV. Goovaerts wyjaśnia: „Wiele młodych, gorących, masywnych gwiazd w małej przestrzeni znacznie lepiej radzi sobie z przebijaniem się przez nieprzejrzysty gaz”.

Gwiazdy, które rozświetliły drogę

Porównując obserwacje Hubble’a dla MXDFz4.4 z danymi JWST, który badał chłodniejsze, starsze gwiazdy w galaktyce, zespół Goovaertsa i Rafelskiego odkrył, że gwiazdy w gromadzie powstawały w intensywnych wybuchach. Każdy taki impuls produkował nowe ilości jonizującego promieniowania ultrafioletowego, które stopniowo rozpraszało coraz więcej neutralnego gazu w czasie.

Obecnie widzimy tę galaktykę około 250 milionów lat po tym, jak zakończyła rejonizację otaczającego ją gazu. Gorące, masywne gwiazdy w gromadzie kończą swoje krótkie, zaledwie kilkumilionowe życie, jako supernowe. Fale uderzeniowe i promieniowanie z tych eksplozji mogą tworzyć w gazie bąble o rozmiarach lat świetlnych, dodatkowo otwierając drogi ucieczki dla światła ultrafioletowego i umożliwiając jego wykrycie przez Hubble’a.

Te obserwacje mocno potwierdzają teorię, że to właśnie gromady gorących, masywnych, świecących gwiazd w młodych galaktykach wczesnego Wszechświata odegrały dominującą rolę w jonizacji neutralnego gazu kosmosu.

Co dalej? Poszukiwania trwają

„Obserwacje MXDFz4.4 za pomocą Hubble’a pozwalają nam testować nasze hipotezy znacznie bliżej Ery Rejonizacji niż kiedykolwiek wcześniej” – podsumował Rafelski. „Znalezienie większej liczby galaktyk, zwłaszcza w nieco późniejszych czasach kosmicznych, gdzie większe próbki są w zasięgu ręki, pozwoliłoby nam udoskonalić te pomiary i dowiedzieć się, co ostatecznie rozjaśniło nasz widok, gdy ta era dobiegała końca.”

Wyniki tych fascynujących badań zostały opublikowane 23 czerwca w prestiżowym czasopiśmie „The Astrophysical Journal”. To kolejny krok w odkrywaniu tajemnic, które kryje w sobie najodleglejsza przeszłość naszego Wszechświata.