Ett internationellt team av astronomer som delvis finansierats av NASA har hittat den hittills längsta bortre galaxgruppen. Kallas EGS77, galaxtrion dateras till en tid då universum bara var 680 miljoner år gammalt, eller mindre än 5 % av sin nuvarande ålder på 13,8 miljarder år.

Mer betydande, observationer visar att galaxerna är deltagare i en genomgripande kosmisk makeover som kallas återjonisering. Eran började när ljuset från de första stjärnorna förändrade vätets natur i hela universum på ett sätt som liknar en frusen sjö som smälte på våren. Detta förvandlade mörkret, ljussläckande tidiga kosmos till det vi ser omkring oss idag.

"Det unga universum var fyllt med väteatomer, som dämpar ultraviolett ljus så att de blockerar vår syn på tidiga galaxer, " sa James Rhoads vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, som presenterade resultaten den 5 januari vid det 235:e mötet i American Astronomical Society i Honolulu. "EGS77 är den första galaxgruppen som fångats i färd med att rensa ut denna kosmiska dimma."

Medan mer avlägsna enskilda galaxer har observerats, EGS77 är den hittills längsta galaxgruppen som visar de specifika våglängderna för långt ultraviolett ljus som avslöjas genom återjonisering. Detta utsläpp, kallas Lyman alfaljus, är framträdande i alla medlemmar i EGS77.

I sin tidigaste fas, universum var ett glödande plasma av partiklar, inklusive elektroner, protoner, atomkärnor, och ljus. Atomer kunde ännu inte existera. Universum var i ett joniserat tillstånd, liknande gasen inuti en upplyst neonskylt eller ett lysrör.

Efter att universum expanderat och svalnat i cirka 380, 000 år, elektroner och protoner kombinerade till de första atomerna - mer än 90% av dem väte. Hundra miljoner år senare, denna gas bildade de första stjärnorna och galaxerna. Men själva närvaron av denna rikliga gas innebär utmaningar för att upptäcka galaxer i det tidiga universum.

Väteatomer absorberar lätt och återutsänder snabbt långt ultraviolett ljus, känt som Lyman alfa-emission, som har en våglängd på 121,6 nanometer. När de första stjärnorna bildades, en del av ljuset de producerade matchade denna våglängd. Eftersom Lyman alfaljus lätt interagerar med väteatomer, den kunde inte resa långt innan gasen spred den i slumpmässiga riktningar.

"Intensivt ljus från galaxer kan jonisera den omgivande vätgasen, bildar bubblor som låter stjärnljuset färdas fritt, " sa teammedlemmen Vithal Tilvi, en forskare vid Arizona State University i Tempe. "EGS77 har bildat en stor bubbla som gör att dess ljus kan resa till jorden utan mycket dämpning. Så småningom, bubblor som dessa växte runt alla galaxer och fyllde det intergalaktiska rymden, återjoniserar universum och rensar vägen för ljus att färdas över kosmos."

EGS77 upptäcktes som en del av undersökningen Cosmic Deep And Wide Narrowband (Cosmic DAWN), för vilken Rhoads fungerar som huvudutredare. Teamet avbildade ett litet område i konstellationen Boötes med hjälp av ett specialbyggt filter på National Optical Astronomy Observatory's Extremely Wide-Field InfraRed Imager (NEWFIRM), som var fäst vid det 4-meters Mayall-teleskopet vid Kitt Peak National Observatory nära Tucson, Arizona.

Eftersom universum expanderar, Lyman alpha light från EGS77 har sträckts ut under sina resor, så astronomer upptäcker det faktiskt vid nära-infraröda våglängder. Vi kan inte se dessa galaxer i synligt ljus nu eftersom det ljuset började med kortare våglängder än Lyman alfa och spreds av dimma av väteatomer.

För att hjälpa till att välja avlägsna kandidater, forskarna jämförde sina bilder med allmänt tillgängliga data från samma region som tagits av NASA:s rymdteleskop Hubble och Spitzer. Galaxer som framträder ljust i nära-infraröda bilder märktes som möjligheter, medan de som uppträdde i synligt ljus avvisades som för nära.

Teamet bekräftade avstånden till EGS77:s galaxer genom att använda Multi-Object Spectrometer for Infra-Red Exploration (MOSFIRE) på Keck I-teleskopet vid W. M. Keck Observatory på Maunakea, Hawaii. De tre galaxerna visar alla Lyman alfa-emissionslinjer vid något olika våglängder, speglar lite olika avstånd. Avståndet mellan intilliggande galaxer är cirka 2,3 miljoner ljusår, eller något närmare än avståndet mellan Andromedagalaxen och vår egen Vintergatan.

Ett papper som beskriver resultaten, ledd av Tilvi, har lämnats till The Astrophysical Journal .

"Medan detta är den första galaxgruppen som identifierats som ansvarig för kosmisk återjonisering, framtida NASA-uppdrag kommer att berätta mycket mer, " sa medförfattaren Sangeeta Malhotra på Goddard. "Det kommande rymdteleskopet James Webb är känsligt för Lyman alfa-emission från ännu svagare galaxer på dessa avstånd och kan hitta fler galaxer inom EGS77."

Astronomer förväntar sig att liknande återjoniseringsbubblor från denna era kommer att vara sällsynta och svåra att hitta. NASA:s planerade Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) kan kanske upptäcka ytterligare exempel, ytterligare belysa denna viktiga övergång i kosmisk historia.