NASA:s Spitzer Space Telescope har avslöjat att några av universums tidigaste galaxer var ljusare än väntat. Överskottsljuset är en biprodukt av att galaxerna släpper ut otroligt höga mängder joniserande strålning. Fyndet ger ledtrådar till orsaken till återjoniseringsepoken, en stor kosmisk händelse som förvandlade universum från att vara mestadels ogenomskinlig till det lysande stjärnlandskapet som vi ser idag.

I en ny studie, forskare rapporterar om observationer av några av de första galaxerna som bildades i universum, mindre än 1 miljard år efter big bang (eller lite mer än 13 miljarder år sedan). Data visar att i några specifika våglängder av infrarött ljus, galaxerna är betydligt ljusare än forskarna trodde. Studien är den första som bekräftar detta fenomen för ett stort urval av galaxer från denna period, som visar att detta inte var speciella fall av överdriven ljusstyrka, men att även genomsnittliga galaxer som fanns vid den tiden var mycket ljusare i dessa våglängder än galaxer vi ser idag.

Ingen vet säkert när de första stjärnorna i vårt universum sprack till liv. Men bevis tyder på att mellan cirka 100 miljoner och 200 miljoner år efter big bang, universum var mestadels fyllt med neutral vätgas som kanske precis hade börjat smälta samman till stjärnor, som sedan började bilda de första galaxerna. Cirka 1 miljard år efter big bang, universum hade blivit ett gnistrande himlavalv. Något annat hade förändrats, också:Elektroner av den allestädes närvarande neutrala vätgasen hade tagits bort i en process som kallas jonisering. Återjoniseringens epok – övergången från ett universum fullt av neutralt väte till ett fyllt med joniserat väte – är väl dokumenterad.

Före denna världsomfattande transformation, långvågiga former av ljus, såsom radiovågor och synligt ljus, korsade universum mer eller mindre obehindrat. Men kortare ljusvåglängder – inklusive ultraviolett ljus, Röntgenstrålar och gammastrålar - stoppades kort av neutrala väteatomer. Dessa kollisioner skulle ta bort de neutrala väteatomerna från deras elektroner, joniserar dem.

Men vad kunde möjligen ha producerat tillräckligt med joniserande strålning för att påverka allt väte i universum? Var det enskilda stjärnor? Jättegalaxer? Om någon var boven, dessa tidiga kosmiska kolonisatörer skulle ha varit annorlunda än de flesta moderna stjärnor och galaxer, som vanligtvis inte släpper ut stora mängder joniserande strålning. Sedan igen, kanske något helt annat orsakade händelsen, såsom kvasarer – galaxer med otroligt ljusa centra som drivs av enorma mängder material som kretsar kring supermassiva svarta hål.

"Det är en av de största öppna frågorna inom observationskosmologi, sade Stephane De Barros, huvudförfattare till studien och en postdoktor vid universitetet i Genève i Schweiz. "Vi vet att det hände, men vad orsakade det? Dessa nya rön kan vara en stor ledtråd."

Letar efter ljus

För att blicka tillbaka i tiden till eran precis innan återjoniseringsepoken tog slut, Spitzer stirrade på två delar av himlen i mer än 200 timmar vardera, ger rymdteleskopet möjlighet att samla ljus som hade färdats i mer än 13 miljarder år för att nå oss.

Som några av de längsta vetenskapliga observationerna som Spitzer någonsin utfört, de var en del av en observationskampanj kallad GREAT, förkortning för GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury från Spitzer. GOODS (i sig en akronym:Great Observatories Origins Deep Survey) är en annan kampanj som gjorde de första observationerna av några STORA mål. Studien, publicerad i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , använde även arkivdata från NASA:s rymdteleskop Hubble.

Med hjälp av dessa ultradjupa observationer av Spitzer, teamet av astronomer observerade 135 avlägsna galaxer och fann att de alla var särskilt ljusa i två specifika våglängder av infrarött ljus som produceras av joniserande strålning som interagerar med väte och syrgas i galaxerna. Detta antyder att dessa galaxer dominerades av unga, massiva stjärnor som mestadels består av väte och helium. De innehåller mycket små mängder "tunga" ämnen (som kväve, kol och syre) jämfört med stjärnor som finns i genomsnittliga moderna galaxer.

Dessa stjärnor var inte de första stjärnorna som bildades i universum (de skulle bara ha bestått av väte och helium) men var fortfarande medlemmar av en mycket tidig generation av stjärnor. Återjoniseringens epok var inte en ögonblicklig händelse, så även om de nya resultaten inte räcker för att stänga boken om denna kosmiska händelse, de ger nya detaljer om hur universum utvecklades vid denna tid och hur övergången utspelade sig.

"Vi förväntade oss inte att Spitzer, med en spegel som inte är större än en Hula-Hoop, skulle kunna se galaxer så nära tidernas gryning, sa Michael Werner, Spitzers projektforskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. "Men naturen är full av överraskningar, och den oväntade ljusstyrkan hos dessa tidiga galaxer, tillsammans med Spitzers fantastiska prestation, sätter dem inom räckhåll för vårt lilla men kraftfulla observatorium."

NASA:s rymdteleskop James Webb, planeras att lanseras 2021, kommer att studera universum i många av samma våglängder som Spitzer observerade. Men där Spitzers primärspegel bara är 85 centimeter (33,4 tum) i diameter, Webbs är 6,5 meter (21 fot) - cirka 7,5 gånger större - vilket gör det möjligt för Webb att studera dessa galaxer mycket mer i detalj. Faktiskt, Webb kommer att försöka upptäcka ljus från de första stjärnorna och galaxerna i universum. Den nya studien visar att på grund av deras ljusstyrka i de infraröda våglängderna, galaxerna som Spitzer observerar kommer att vara lättare för Webb att studera än man tidigare trott.

"Dessa resultat av Spitzer är verkligen ytterligare ett steg i att lösa mysteriet med kosmisk återjonisering, sa Pascal Oesch, en biträdande professor vid universitetet i Genève och en medförfattare till studien. "Vi vet nu att de fysiska förhållandena i dessa tidiga galaxer var mycket annorlunda än i typiska galaxer idag. Det kommer att vara James Webbs rymdteleskops uppgift att ta reda på de detaljerade orsakerna till det."