En grupp astronomer ledda av Sarah Bosman från Max Planck Institute for Astronomy har robust tidpunkten för slutet av epok av återjonisering av den neutrala vätgasen till cirka 1,1 miljarder år efter Big Bang. Återjoniseringen började när den första generationen stjärnor bildades efter den kosmiska "mörka åldrarna", en lång period då neutral gas ensam fyllde universum utan några ljuskällor. Det nya resultatet avgör en debatt som varade i två decennier och följer av strålningssignaturerna från 67 kvasarer med avtryck av vätgasen som ljuset passerade innan det nådde jorden. Att peka ut slutet på denna "kosmiska gryning" kommer att hjälpa till att identifiera de joniserande källorna:de första stjärnorna och galaxerna.

Universum har genomgått olika faser från dess början till dess nuvarande tillstånd. Under de första 380 000 åren efter Big Bang var det en het och tät joniserad plasma. Efter denna period kyldes det ner tillräckligt för att protonerna och elektronerna som fyllde universum kunde kombineras till neutrala väteatomer. För det mesta under dessa "mörka åldrar" hade universum inga källor till synligt ljus. Med tillkomsten av de första stjärnorna och galaxerna ungefär 100 miljoner år senare joniserades den gasen gradvis av stjärnornas ultravioletta (UV) strålning igen. Denna process separerar elektronerna från protonerna och lämnar dem som fria partiklar. Denna era är allmänt känd som den "kosmiska gryningen". Idag är allt väte som sprids ut mellan galaxer, den intergalaktiska gasen, helt joniserat. Men när det hände är ett mycket diskuterat ämne bland forskare och ett mycket konkurrensutsatt forskningsfält.

Ett sent slut på den kosmiska gryningen

Ett internationellt team av astronomer ledda av Sarah Bosman från Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, Tyskland, har nu exakt tidsbestämt slutet på återjoniseringsepoken till 1,1 miljarder år efter Big Bang. "Jag är fascinerad av tanken på de olika faser som universum gick igenom som ledde till att solen och jorden bildades. Det är ett stort privilegium att få bidra med en ny liten bit till vår kunskap om kosmisk historia", säger Sarah Bosman. Hon är huvudförfattaren till forskningsartikeln som finns i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society idag.

Frederick Davies, också en MPIA-astronom och medförfattare till tidningen, kommenterar:"Fram till för några år sedan var den rådande visdomen att återjoniseringen slutfördes nästan 200 miljoner år tidigare. Här har vi nu de starkaste bevisen hittills för att processen slutade mycket. senare, under en kosmisk epok som är lättare att observera av nuvarande generations observationsanläggningar." Den här tidskorrigeringen kan verka marginell med tanke på de miljarder år som gått sedan Big Bang. Men några hundra miljoner år till var tillräckligt för att producera flera dussintals stjärngenerationer under den tidiga kosmiska evolutionen. Tidpunkten för eran "kosmisk gryning" begränsar naturen och livslängden för de joniserande källor som fanns under de hundratals miljoner år den varade.

Detta indirekta tillvägagångssätt är för närvarande det enda sättet att karakterisera de objekt som drev återjoniseringsprocessen. Att observera de första stjärnorna och galaxerna direkt är bortom förmågan hos samtida teleskop. De är helt enkelt för svaga för att få användbar information inom rimlig tid. Till och med nästa generations anläggningar som ESO:s Extremely Large Telescope (ELT) eller James Webb Space Telescope kan kämpa med en sådan uppgift.

Kvasarer som kosmiska sonder

För att undersöka när universum var helt joniserat använder forskare olika metoder. En är att mäta utsläppen av neutral vätgas vid den berömda 21-centimeters spektrallinjen. Istället analyserade Sarah Bosman och hennes kollegor ljuset som mottogs från starka bakgrundskällor. De använde 67 kvasarer, de ljusa skivorna av het gas som omger de centrala massiva svarta hålen i avlägsna aktiva galaxer. När man tittar på ett kvasarspektrum, som visualiserar dess intensitet utlagd över de observerade våglängderna, hittar astronomer mönster där ljus verkar saknas. Det är vad forskare kallar absorptionslinjer. Neutral vätgas absorberar denna del av ljuset längs sin resa från källan till teleskopet. Spektrat för dessa 67 kvasarer är av oöverträffad kvalitet, vilket var avgörande för framgången med denna studie.

Metoden går ut på att titta på en spektrallinje som motsvarar en våglängd på 121,6 nanometer. Denna våglängd tillhör UV-området och är den starkaste vätespektrallinjen. Den kosmiska expansionen förskjuter dock kvasarspektrumet till längre våglängder ju längre ljuset färdas. Därför kan rödförskjutningen av den observerade UV-absorptionslinjen översättas till avståndet från jorden. I denna studie hade effekten flyttat UV-linjen in i det infraröda området när den nådde teleskopet.

Beroende på fraktionen mellan neutral och joniserad vätgas uppnår graden av absorption, eller omvänt, överföringen genom ett sådant moln ett särskilt värde. När ljuset möter ett område med en hög andel joniserad gas kan det inte absorbera UV-strålning så effektivt. Den här egenskapen är vad teamet letade efter.

Kvasarljuset passerar genom många vätemoln på olika avstånd på sin väg, vart och ett av dem lämnar sitt avtryck vid mindre rödförskjutningar från UV-området. I teorin borde analys av förändringen i transmissionen per rödförskjuten linje ge den tid eller sträcka vid vilken vätgasen var helt joniserad

Modeller hjälper till att reda ut konkurrerande influenser

Tyvärr är omständigheterna ännu mer komplicerade. Sedan återjoniseringens slut är endast det intergalaktiska utrymmet helt joniserat. Det finns ett nätverk av delvis neutral materia som förbinder galaxer och galaxhopar, kallat det "kosmiska nätet". Där vätgasen är neutral, lämnar den sina spår i kvasarljuset också.

För att reda ut dessa influenser använde teamet en fysisk modell som återger variationer som uppmätts i en mycket senare epok när den intergalaktiska gasen redan var helt joniserad. När de jämförde modellen med sina resultat upptäckte de en avvikelse vid en våglängd där linjen på 121,6 nanometer skiftades med en faktor 5,3 gånger motsvarande en kosmisk ålder på 1,1 miljarder år. Denna övergång indikerar den tidpunkt då förändringar i det uppmätta kvasarljuset blir inkonsekventa med fluktuationer från enbart den kosmiska webben. Därför var det den senaste perioden då neutral vätgas måste ha funnits i det intergalaktiska rymden och sedan blev joniserad. Det var slutet på den "kosmiska gryningen."

Framtiden är ljus

"Denna nya datamängd ger ett avgörande riktmärke mot vilket numeriska simuleringar av universums första miljarder år kommer att testas i många år framöver", säger Frederick Davies. De kommer att hjälpa till att karakterisera de joniserande källorna, de allra första generationerna av stjärnor.

"Den mest spännande framtida riktningen för vårt arbete är att utöka det till ännu tidigare tider, mot mittpunkten av återjoniseringsprocessen", påpekar Sarah Bosman. "Tyvärr betyder större avstånd att de tidigare kvasarerna är betydligt svagare. Därför kommer det utökade uppsamlingsområdet för nästa generations teleskop som ELT att vara avgörande." + Utforska vidare

Upptäckt av en lysande galax som återjoniserar det lokala intergalaktiska mediet för 13 miljarder år sedan