Falsk färgbild av ett område på 2 kvadratgrader i LAGER-undersökningsfältet, skapad från bilder tagna i optiskt vid 500 nm (blått), i nära-infrarött vid 920 nm (röd), och i ett smalbandigt filter centrerat vid 964 nm (grönt). Den sista är känslig för väte Lyman alfa-emission vid z ~ 7. De små vita rutorna indikerar positionerna för de 23 LAE som upptäcktes i undersökningen. De detaljerade infällningarna (gul) visar två av de ljusaste LAE:erna; de är 0,5 bågminuter på en sida, och de vita cirklarna är 5 bågsekunder i diameter. Kredit:Zhen-Ya Zheng (SHAO) &Junxian Wang (USTC).
Astronomer som studerar det avlägsna universum har funnit att det fanns gott om små stjärnbildande galaxer när universum bara var 800 miljoner år gammalt, några procent av sin nuvarande ålder. Resultaten tyder på att de tidigaste galaxerna, som upplyste och joniserade universum, bildades vid ännu tidigare tider.
Länge sedan, ca 300, 000 år efter universums början (Big Bang), universum var mörkt. Det fanns ännu inga stjärnor och galaxer, och universum fylldes med neutral vätgas. Vid något tillfälle dök de första galaxerna upp, och deras energiska strålning joniserade sin omgivning, den intergalaktiska gasen, belysa och transformera universum.
Även om denna dramatiska omvandling är känd för att ha inträffat någon gång i intervallet mellan 300 miljoner år och 1 miljard år efter Big Bang, att avgöra när de första galaxerna bildades är en utmaning. Den intergalaktiska gasen, som till en början är neutral, absorberar och sprider starkt det ultravioletta ljuset som sänds ut av galaxerna, gör dem svåra att upptäcka.
Att inse när förvandlingen inträffade, astronomer tar ett indirekt tillvägagångssätt. Genom att använda demografin för små stjärnbildande galaxer för att avgöra när den intergalaktiska gasen blev joniserad, de kan sluta sig till när de joniserande källorna, de första galaxerna, bildas. Om stjärnbildar galaxer, som lyser i ljuset av väte Lyman alfa-linjen, är omgivna av neutral vätgas, Lyman alfa-fotoner sprids lätt, ungefär som strålkastare i dimma, skymmer galaxerna. När gasen joniseras, dimman lyfter, och galaxerna är lättare att upptäcka.
En ny studie med detta tillvägagångssätt har upptäckt 23 kandidatlyman alfa-emitterande galaxer (LAE) som fanns 800 miljoner år efter Big Bang (vid en rödförskjutning av z~7), det största provet som hittills upptäckts vid den epoken. Studien, "Lyman-Alpha Galaxies in the Epoch of Reionization" (LAGER), utfördes av ett internationellt team av astronomer från Kina, USA, och Chile med Dark Energy Camera (DECam) på CTIO 4-m Blanco-teleskopet.
Milstolpar i universums historia (inte i skala). Den intergalaktiska gasen var i neutralt tillstånd från omkring 300, 000 år efter Big Bang tills ljus från den första generationen stjärnor och galaxer började jonisera den. Gasen var fullständigt joniserad efter 1 miljard år. LAGER-studien tar en närmare titt på universums tillstånd efter 800 miljoner år (gul låda) för att undersöka när och hur denna omvandling inträffade. Kredit:NAOJ.
Medan studien upptäckte många LAE, den fann också att LAE var 4 gånger mindre vanliga vid 800 miljoner år än de var en kort tid senare, vid 1 miljard år (vid en rödförskjutning av z~5,7). Resultaten antyder att processen att jonisera universum började tidigt och fortfarande var ofullständig vid 800 miljoner år, med den intergalaktiska gasen ungefär hälften neutral och hälften joniserad vid den epoken. Den låga förekomsten av LAE vid 800 miljoner år är resultatet av undertryckandet av deras Lyman-alfa-emission av neutral intergalaktisk gas.
Studien visar att "dimman lättade redan när universum var 5% av sin nuvarande ålder", förklarade Sangeeta Malhotra (Goddard Space Flight Center och Arizona State University), en av medledarna för undersökningen.
Junxian Wang (USTC), arrangören av studien, ytterligare förklarat, "Vår upptäckt att den intergalaktiska gasen är 50 % joniserad vid z ~ 7 antyder att en stor del av de första galaxerna som joniserade och belyste universum bildades tidigt, mindre än 800 miljoner år efter Big Bang."
För Zhenya Zheng (Shanghai Astronomical Observatory, CAS), huvudförfattaren till tidningen som beskriver dessa resultat, "800 miljoner år är den nuvarande gränsen för rejoniseringsstudier." Medan hundratals LAE har hittats vid senare epoker, endast omkring två dussin kandidat-LAEs var kända vid 800 miljoner år före den aktuella studien. De nya resultaten ökar dramatiskt antalet LAE som är kända vid denna epok.
"Ingen av denna vetenskap skulle ha varit möjlig utan DECams breda kapacitet och dess gemenskapspipeline för datareduktion, ", kommenterade medförfattaren James Rhoads. "Dessa förmågor möjliggör effektiva undersökningar och därmed upptäckten av svaga galaxer såväl som sällsynta, ljusa."
För att bygga vidare på dessa resultat, teamet "fortsätter sökandet efter avlägsna stjärnbildande galaxer över en större volym av universum", sa Leopoldo Infante (Pontificia Catolica University of Chile och Carnegie Institution for Science), "att studera klustringen av LAEs." Clustering ger unika insikter om hur dimman lättar. Teamet undersöker också naturen hos dessa avlägsna galaxer.
