Genom att använda de oöverträffade funktionerna hos rymdteleskopet NASA/ESA/CSA James Webb rymdteleskop har ett internationellt team av forskare erhållit de första spektroskopiska observationerna av de svagaste galaxerna under universums första miljarder år. Dessa fynd, publicerade i tidskriften Nature , hjälp att svara på en långvarig fråga för astronomer:Vilka källor orsakade återjoniseringen av universum? Dessa nya resultat har effektivt visat att små dvärggalaxer är de troliga producenterna av enorma mängder energisk strålning.
Att forska i utvecklingen av det tidiga universum är en viktig aspekt av modern astronomi. Mycket återstår att förstå om den tid i universums tidiga historia som kallas återjoniseringens era.
Det var en period av mörker utan några stjärnor eller galaxer, fylld med en tät dimma av vätgas tills de första stjärnorna joniserade gasen runt dem och ljuset började färdas igenom. Astronomer har ägnat decennier åt att försöka identifiera källorna som sänder ut strålning som är kraftfull nog för att gradvis rensa bort denna vätedimma som täckte det tidiga universum.
Ultradeep NIRSpec och NIRCam Observations before the Epoch of Reionization (UNCOVER)-programmet (#2561) består av både avbildnings- och spektroskopiska observationer av linsklustret Abell 2744. Ett internationellt team av astronomer använde gravitationslinser av detta mål, även känt som Pandoras kluster. , för att undersöka källorna till universums period av återjonisering.
Gravitationslinser förstorar och förvränger utseendet på avlägsna galaxer, så de ser väldigt annorlunda ut än de i förgrunden. Galaxklustrets "lins" är så massiv att den förvränger själva rymden, så mycket att ljus från avlägsna galaxer som passerar genom det skeva rymden också får ett skevt utseende.
Förstoringseffekten gjorde det möjligt för teamet att studera mycket avlägsna ljuskällor bortom Abell 2744, och avslöjade åtta extremt svaga galaxer som annars skulle vara omöjliga att upptäcka, till och med för Webb.
Teamet fann att dessa svaga galaxer är enorma producenter av joniserande strålning, på nivåer som är fyra gånger större än vad som tidigare antagits. Det betyder att de flesta fotoner som återjoniserade universum troligen kom från dessa dvärggalaxer.
"Denna upptäckt avslöjar den avgörande roll som ultrasvaga galaxer spelar i det tidiga universums utveckling", säger teammedlemmen Iryna Chemerynska vid Institut d'Astrophysique de Paris i Frankrike. "De producerar joniserande fotoner som omvandlar neutralt väte till joniserat plasma under kosmisk återjonisering. Det understryker vikten av att förstå lågmassagalaxer för att forma universums historia."
"Dessa kosmiska kraftverk avger tillsammans mer än tillräckligt med energi för att få jobbet gjort," tillade teamledaren Hakim Atek, Institut d'Astrophysique de Paris, CNRS, Sorbonne Université, Frankrike, och huvudförfattare till tidningen som beskriver detta resultat. "Trots sin lilla storlek är dessa lågmassagalaxer produktiva producenter av energisk strålning, och deras överflöd under denna period är så betydande att deras kollektiva inflytande kan förändra hela universums tillstånd."
För att komma fram till denna slutsats kombinerade teamet först ultradjupa Webb-avbildningsdata med kompletterande avbildning av Abell 2744 från NASA/ESA Hubble Space Telescope för att välja extremt svaga galaxkandidater under återjoniseringens epok. Detta följdes av spektroskopi med Webbs Near-InfraRed Spectrograph (NIRSpec). Instrumentets Multi-Shutter Assembly användes för att få flerobjektspektroskopi av dessa svaga galaxer.
Det här är första gången som forskare har mätt taltätheten för dessa svaga galaxer på ett robust sätt, och de har framgångsrikt bekräftat att de är den vanligaste befolkningen under återjoniseringens epok. Detta är också första gången som den joniserande kraften hos dessa galaxer har mätts, vilket gör det möjligt för astronomer att fastställa att de producerar tillräckligt med energisk strålning för att jonisera det tidiga universum.
"Den otroliga känsligheten hos NIRSpec kombinerat med gravitationsförstärkningen som tillhandahålls av Abell 2744 gjorde det möjligt för oss att identifiera och studera dessa galaxer från universums första miljard år i detalj, trots att de är över 100 gånger svagare än vår egen Vintergatan," fortsatte Atek .
I ett kommande Webb-observationsprogram, kallat GLIMPSE, kommer forskare att få de djupaste observationerna någonsin på himlen. Genom att rikta in sig på ett annat galaxkluster, som heter Abell S1063, kommer ännu svagare galaxer under återjoniseringsepoken att identifieras för att verifiera om denna population är representativ för den storskaliga utbredningen av galaxer.
Eftersom dessa nya resultat är baserade på observationer som erhållits i ett fält, noterar teamet att de joniserande egenskaperna hos svaga galaxer kan se annorlunda ut om de bor i övertäta områden. Ytterligare observationer inom ett oberoende område kommer därför att ge ytterligare insikter för att verifiera dessa slutsatser.
GLIMPSE-observationerna kommer också att hjälpa astronomer att undersöka perioden känd som Cosmic Dawn, då universum bara var några miljoner år gammalt, för att utveckla vår förståelse för uppkomsten av de första galaxerna.
Dessa resultat har publicerats i dag i tidskriften Nature .
Mer information: Hakim Atek, De flesta fotoner som återjoniserade universum kommer från dvärggalaxer, naturen (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07043-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07043-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Europeiska rymdorganisationen
