En international gruppe astronomer under ledelse af Laura Pentericci fra Roms astronomiske observatorium har brugt ESO's VLT-teleskop (Very Large Telescope) til at undersøge det tidligere univers på flere tidspunkter, mens det blev gennemsigtigt for ultraviolet lys.

Denne korte, men dramatiske fase i den kosmiske historie - kendt som reioniseringen - fandt sted for cirka 13 milliarder år siden. Ved omhyggeligt at undersøge nogle af de fjerneste galakser, der nogensinde er blevet opdaget, har holdet for første gang været i stand til at etablere en tidslinje for reioniseringen. De har også vist, at denne fase må være gået hurtigere, end astronomer hidtil har antaget.

De har været i stand til at måle afstandene til galakserne præcist og har fundet ud af, at vi ser dem, som de så ud mellem 780 millioner og en milliard år efter Big Bang, hvor universet blev skabt.

Den fjerneste galakse, hvor afstanden er målt med spektroskopi, har en rødforskydning på 8,6. Det placerer den blot 600 millioner år efter Big Bang.

En galakse fundet af rumteleskopet Hubble menes at have en rødforskydning på omkring 10 (480 millioner år efter Big ang), men det er endnu ikke blevet bekræftet. Den fjerneste galakse i denne undersøgelse har en rødforskydning på 7,1, hvilket placerer den 780 millioner år efter Big Bang. Universet er i dag 13,7 milliarder år gammelt.

Reioniseringsperioden

De nye observationer har for første gang givet astronomerne mulighed for at etablere en tidslinje for reioniseringen. I løbet af denne periode lettede tågen af brintgas i det tidlige univers, så ultraviolet lys for første gang kunne passere uhindret videre.

På det tidspunkt, hvor de første stjerner og galakser blev dannet, var universet fyldt med elektrisk neutral brintgas, der absorberer ultraviolet lys. Da den ultraviolette stråling fra disse tidlige galakser påvirkede gassen og gjorde den elektrisk ladet (ioniseret), blev den gradvis gennemsigtig for ultraviolet lys.

Denne proces er foregået i en kort periode i de første 380.000 år efter Big Bang, hvor brintgassen også var ioniseret.

Lang og systematisk eftersøgning

De nye resultater, som bliver offentliggjort i tidsskriftet Astrophysical Journal, baserer sig på en lang og systematisk eftersøgning af fjerne galakser, som holdet har udført over de seneste tre år.

Astronom og medforfatter Adriano Fontana fra Roms astronomiske observatorium siger i en pressemeddelelse:

»Arkæologer kan rekonstruere en tidslinje over fortiden baseret på de genstande, de finder i forskellige jordlag. Astronomer kan gøre noget endnu bedre: Vi kan kigge direkte ind i den fjerne fortid og observere det svage lys fra forskellige galakser på forskellige stadier af den kosmiske evolution. Forskellene mellem galakserne fortæller os noget om, hvordan forholdene ændrede sig i universet i løbet af denne vigtige periode, og om, hvor hurtigt disse forandringer fandt sted.«

Forskellige grundstoffer lyser klart med hver deres karakteristiske farve og danner toppe i lysspektret, der kaldes emissionslinjer. En af de klareste ultraviolette emissionslinjer er Lyman-alfa-linjen, som kommer fra brintgas. Den er klar og letgenkendelig nok til at blive set i observationer af selv meget lyssvage og fjerne galakser.

Fundet af Lyman-alfa-linjen i fem meget fjerne galakser gav holdet mulighed for at gøre to vigtige ting: Ved at observere, hvor langt linjen var blevet forskudt mod den røde del af spektret, var de for det første i stand til at bestemme afstanden til galakserne og herved bestemme, hvor lang tid efter Big Bang de kunne ses. Det gav dem mulighed for at sætte galakserne i kronologisk orden og lave en tidslinje, der viser, hvordan lyset fra galakserne har udviklet sig over tid.

For det andet var de i stand til at se, i hvilket omfang Lyman-alfa-strålingen - der kommer fra glødende brintgas i galakserne - blev genabsorberet i den neutrale brinttåge i det intergalaktiske rum på forskellige tidspunkter.

Hurtig reionisering

Forskerne fandt en dramatisk forskel i mængden af ultraviolet lys, der var blokeret mellem de tidligste og de seneste galakser i deres undersøgelse. Da universet var bare 780 millioner år gammelt, var denne neutrale brintgas ganske udbredt og fyldte 10 til 50 pct. af
universets volumen.

Men bare 200 millioner år senere var mængden af neutral brint faldet til et meget lavt niveau meget lig det, man ser i dag. Det lader til, at reioniseringen må være sket hurtigere, end astronomer tidligere har antaget.

Ud over undersøgelsen af den hastighed, som urtågen er lettet med, kan holdets observationer også give et fingerpeg om den mulige kilde til det ultraviolette lys, som har givet den nødvendige energi til, at reioniseringen kunne finde sted.

Der er flere konkurrerende teorier om, hvor dette lys kom fra - to førende kandidater er den første generation af stjerner i universet og den intense stråling, der udsendes af stof, der falder ind mod sorte huller.

Studier af denne tidlige periode i den kosmiske historie er teknisk udfordrende, fordi det kræver nøjagtige observationer af ekstremt fjerne og lyssvage galakser; en opgave, som kun kan løses med de kraftigste teleskoper.

Til denne undersøgelse gjorde holdet brug af den store lysindsamlende kraft af det 8,2 meter store VLT for at udføre spektroskopiske observationer af galakser, der oprindelig blev fundet med NASA/ESA's rumteleskop Hubble og dybe billeder fra VLT.

Dokumentation

ESOs pressemeddelelse: