Forskere peker på slutten av ‘kosmisk daggry’, epoken med reionisering

En gruppe astronomer ledet av Sarah Bosman fra Max Planck Institute for Astronomy har robust timet slutten av epoken med reionisering av den nøytrale hydrogengassen til omtrent 1,1 milliarder år etter Big Bang. Reionisering begynte da den første generasjonen stjerner ble dannet etter den kosmiske “mørke tidsalder”, en lang periode da nøytral gass alene fylte universet uten noen lyskilder. Det nye resultatet avgjør en debatt som varte i to tiår og følger av strålingssignaturene til 67 kvasarer med avtrykk av hydrogengassen lyset passerte gjennom før det nådde jorden. Å finne slutten av denne “kosmiske daggry” vil bidra til å identifisere de ioniserende kildene: de første stjernene og galaksene.

Universet har gjennomgått forskjellige faser fra dets begynnelse til dets nåværende tilstand. I løpet av de første 380 000 årene etter Big Bang var det et varmt og tett ionisert plasma. Etter denne perioden ble den avkjølt nok til at protonene og elektronene som fylte universet kunne kombineres til nøytrale hydrogen atomer. For det meste under disse “mørke tidsalder” hadde universet ingen kilder til synlig lys. Med ankomsten av de første stjernene og galaksene omtrent 100 millioner år senere, ble den gassen gradvis ionisert av stjernenes ultrafiolette (UV) stråling igjen. Denne prosessen skiller elektronene fra protonene, og etterlater dem som frie partikler. Denne epoken er ofte kjent som “kosmisk daggry.” I dag er alt hydrogenet som er spredt mellom galakser, den intergalaktiske gassen, fullstendig ionisert. Men når det skjedde er et sterkt diskutert tema blant forskere og et svært konkurransedyktig forskningsfelt.

En sen slutt på den kosmiske morgengry

Et internasjonalt team av astronomer ledet av Sarah Bosman fra Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, Tyskland, har nå nøyaktig timet slutten av reioniseringsepoken til 1,1 milliarder år etter Big Bang. “Jeg er fascinert av ideen om de forskjellige fasene som universet gjennomgikk førte til dannelsen av Solen og Jorden. Det er et stort privilegium å bidra med en ny liten bit til vår kunnskap om kosmisk historie,” sier Sarah Bosman. Hun er hovedforfatter av forskningsartikkelen som vises i Månedlige meldinger fra Royal Astronomical Society i dag.

Frederick Davies, også en MPIA-astronom og medforfatter av papiret, kommenterer: “Inntil for noen år siden var den rådende visdommen at reionisering fullført nesten 200 millioner år tidligere. Her har vi nå de sterkeste bevisene ennå på at prosessen endte mye. senere, under en kosmisk epoke som er lettere observerbar av dagens generasjons observasjonsanlegg.” Denne tidskorrigeringen kan virke marginal med tanke på milliarder av år siden Big Bang. Imidlertid var noen hundre millioner år mer tilstrekkelig til å produsere flere dusinvis av stjernegenerasjoner i den tidlige kosmiske evolusjonen. Tidspunktet for den “kosmiske daggry”-æraen begrenser naturen og levetiden til de ioniserende kildene som var tilstede i løpet av de hundrevis av millioner årene den varte.

Denne indirekte tilnærmingen er foreløpig den eneste måten å karakterisere objektene som drev reioniseringsprosessen. Å observere de første stjernene og galaksene direkte er utenfor mulighetene til moderne teleskoper. De er rett og slett for svake til å skaffe nyttige data innen rimelig tid. Selv neste generasjons anlegg som ESOs Extremely Large Telescope (ELT) eller James Webb Space Telescope kan slite med en slik oppgave.

Kvasarer som kosmiske sonder

For å undersøke når universet var fullstendig ionisert, bruker forskere forskjellige metoder. Den ene er å måle utslippet av nøytral hydrogengass ved den berømte spektrallinjen på 21 centimeter. I stedet analyserte Sarah Bosman og hennes kolleger lyset mottatt fra sterke bakgrunnskilder. De brukte 67 kvasarer, de lyse skivene av varm gass som omgir de sentrale massive sorte hullene i fjerne aktive galakser. Ved å se på et kvasarspektrum, som visualiserer intensiteten på tvers av de observerte bølgelengdene, finner astronomer mønstre der lys ser ut til å mangle. Det er det forskerne kaller absorpsjonslinjer. Nøytral hydrogengass absorberer denne delen av lyset på veien fra kilden til teleskopet. Spektrene til disse 67 kvasarene er av enestående kvalitet, noe som var avgjørende for suksessen til denne studien.

Metoden går ut på å se på en spektrallinje tilsvarende en bølgelengde på 121,6 nanometer. Denne bølgelengden tilhører UV-området og er den sterkeste hydrogenspektrallinjen. Imidlertid forskyver den kosmiske ekspansjonen kvasarspekteret til lengre bølgelengder jo lenger lyset beveger seg. Derfor kan rødforskyvningen til den observerte UV-absorpsjonslinjen oversettes til avstanden fra jorden. I denne studien hadde effekten flyttet UV-linjen inn i det infrarøde området da den nådde teleskopet.

Avhengig av fraksjonen mellom nøytral og ionisert hydrogengass, oppnår graden av absorpsjon, eller omvendt, overføringen gjennom en slik sky, en spesiell verdi. Når lyset møter et område med en høy andel ionisert gass, kan det ikke absorbere UV-stråling så effektivt. Denne eiendommen er det teamet lette etter.

Kvasarlyset passerer gjennom mange hydrogenskyer på forskjellige avstander på sin vei, og hver av dem etterlater sitt avtrykk ved mindre rødforskyvninger fra UV-området. I teorien burde analyse av endringen i overføring per rødforskyvet linje gi tiden eller avstanden der hydrogengassen ble fullstendig ionisert

Modeller hjelper med å skille ut konkurrerende påvirkninger

Dessverre er omstendighetene enda mer kompliserte. Siden slutten av reioniseringen er bare det intergalaktiske rommet fullstendig ionisert. Det er et nettverk av delvis nøytral materie som forbinder galakser og galaksehoper, kalt «det kosmiske nettet». Der hydrogengassen er nøytral, setter den sine spor i kvasarlyset også.

For å løse disse påvirkningene, brukte teamet en fysisk modell som gjengir variasjoner målt i en mye senere epoke da den intergalaktiske gassen allerede var fullstendig ionisert. Da de sammenlignet modellen med resultatene deres, oppdaget de et avvik ved en bølgelengde der 121,6 nanometer-linjen ble forskjøvet med en faktor 5,3 ganger tilsvarende en kosmisk alder på 1,1 milliarder år. Denne overgangen indikerer tidspunktet da endringer i det målte kvasarlyset blir inkonsistente med fluktuasjoner fra det kosmiske nettet alene. Derfor var det den siste perioden da nøytral hydrogengass må ha vært tilstede i det intergalaktiske rommet og ble deretter ionisert. Det var slutten på «det kosmiske morgengryet».

Fremtiden er lys

“Dette nye datasettet gir en avgjørende målestokk som numeriske simuleringer av universets første milliard år vil bli testet mot i årene som kommer,” sier Frederick Davies. De vil bidra til å karakterisere de ioniserende kildene, de aller første generasjonene av stjerner.

“Den mest spennende fremtidige retningen for vårt arbeid er å utvide det til enda tidligere tider, mot midtpunktet av reioniseringsprosessen,” påpeker Sarah Bosman. “Dessverre betyr større avstander at de tidligere kvasarene er betydelig svakere. Derfor vil det utvidede oppsamlingsområdet til neste generasjons teleskoper som ELT være avgjørende.”

---

---