Astronomer som använder Mayall-teleskopet vid Kitt Peak National Observatory, ett program från NSF:s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, har identifierat flera överlappande bubblor av vätgas joniserade av stjärnorna i tidiga galaxer, bara 680 miljoner år efter Big Bang. Detta är det tidigaste direkta beviset från perioden då den första generationen stjärnor bildades och började återjonisera vätgasen som genomsyrade universum.

Det fanns en period i det mycket tidiga universum – känd som den "kosmiska mörka medeltiden" – då elementarpartiklar, bildades i Big Bang, hade kombinerats för att bilda neutralt väte men inga stjärnor eller galaxer existerade ännu för att lysa upp universum. Denna period började mindre än en halv miljon år efter Big Bang och slutade med bildandet av de första stjärnorna. Även om detta skede i vårt universums utveckling indikeras av datorsimuleringar, direkta bevis är sparsamma.

Nu, astronomer som använder den infraröda bildkameran NEWFIRM på 4-meters Mayall-teleskopet vid Kitt Peak National Observatory vid NSF:s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (OIR Lab), har rapporterat avbildning av en grupp galaxer, känd som EGS77, som innehåller dessa första stjärnor. EGS, eller Extended Groth Strip, är en region avbildad av HST 2005; det motsvarar en smal remsa av himlen ungefär lika bred som ett finger som hålls på armlängds avstånd. Det finns minst 50, 000 galaxer kända inom remsan. Deras resultat tillkännagavs vid en presskonferens som hölls idag vid det 235:e mötet i American Astronomical Society (AAS) i Honolulu, Hawaii.

"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 på AAS presskonferens. "EGS77 är den första galaxgruppen som fångats i färd med att rensa ut denna kosmiska dimma."

Teamet började med en bildundersökning utformad för att upptäcka galaxer med hög rödförskjutning och kombinerade dessa data med motsvarande bilder tagna av rymdteleskopet Hubble. Detta gjorde det möjligt för teamet att beräkna vad som kallas en fotometrisk rödförskjutning, en proxy för att uppskatta avståndet. Vid dessa rödförskjutningar, en galax ljus förskjuts helt utanför det våglängdsområde som det mänskliga ögat är känsligt för (det synliga spektrumet) till längre (infraröda) våglängder. Kriterierna för att välja kandidater för avlägsna galaxer inkluderade en tydlig detektering av dem i de speciella infraröda smalbandsfiltren som används med NEWFIRM på Mayall 4-metersteleskopet och en fullständig icke-detektering i de kortare våglängds optiska filterbanden som används av Hubble. "Upptäckten av de två svagare galaxerna i gruppen var endast möjlig på grund av det speciella smalbandsfiltret som används med NEWFIRM, " sa teamledaren Vithal Tilvi, en forskare vid Arizona State University i Tempe.

"Intensivt ljus från galaxer kan jonisera den omgivande vätgasen, bildar bubblor som låter stjärnljuset färdas fritt, ", sa Tilvi. "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, bana väg för ljus att färdas över universum."

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 Observatorys Extremely Wide-Field InfraRed imager (NEWFIRM). Ron Probst, en DAWN-teammedlem som också hjälpte till att utveckla NEWFIRM, lägger till, "Dessa resultat visar värdet av att upprätthålla instrument vid våra nationella observatorier som är kraftfulla och flexibelt kan anpassa sig för att driva nya vetenskapliga frågor, frågor som kanske inte var i åtanke när ett instrument ursprungligen byggdes."

När den väl har identifierats, avstånden och därmed åldrarna för dessa galaxer bekräftades med spektra tagna med MOSFIRE-spektrografen vid Keck I-teleskopet vid W. M. Keck-observatoriet på Maunakea i Hawai'i. Alla tre galaxerna visar starka emissionslinjer av väte Lyman alfa vid en rödförskjutning (z =7,7), vilket betyder att vi ser dem cirka 680 miljoner år efter Big Bang. Storleken på den joniserade bubblan runt var och en härleddes från datormodellering. Dessa bubblor överlappar rumsligt, men är tillräckligt stora (cirka 2,2 miljoner ljusår) för att Lyman-alfafotoner rödförskjuts innan de når bubblans gräns och därmed kan fly oskadda, gör det möjligt för astronomer att upptäcka dem.

"Vi förväntade oss att återjoniseringsbubblor från denna era i kosmisk historia skulle vara sällsynta och svåra att hitta, sa Sangeeta Malhotra, en samarbetspartner på NASA GSFC, "så en bekräftelse på denna övergång är viktig." Denna "kosmiska gryning, "mellantillståndet mellan ett neutralt och ett joniserat universum, är något som har förutspåtts. Sådana upptäckter möjliggörs av tillgången på kraftfulla astronomiska instrument som kan undersöka universum på ett sätt som tidigare generationer av astronomer inte föreställt sig.

Denna forskning kommer att presenteras i ett kommande dokument och är för närvarande nära att accepteras.