Forskere kan nå være nær ved å forstå hva som faktisk tente de aller første lysglimtene i universets tidlige historie.
Nye observasjoner fra romteleskopene Hubble og James Webb tyder på at små dverggalakser spilte en avgjørende rolle i den såkalte kosmiske daggryfasen. Det var trolig disse svært lyssvake, men tallrike galaksene som begynte å stråle kraftig nok til å rydde bort «tåken» av hydrogen som lenge gjorde universet ugjennomsiktig for lys. En vitenskapelig studie om funnene ble publisert i februar 2024.
– Denne oppdagelsen avdekker den viktige rollen ultralyssvake galakser har spilt i utviklingen av det tidlige universet, sier astrofysiker Iryna Chemerynska ved Institut d’Astrophysique de Paris.
– De produserer ioniserende fotoner som omdanner nøytralt hydrogen til ionisert plasma under den kosmiske reioniseringen. Det understreker hvor viktig det er å forstå lavmassedannede galakser for å kunne beskrive universets historie, fortsetter hun.
Da universet var mørkt
Like etter Big Bang var rommet fylt av en ekstremt varm og tett «tåke» av ionisert plasma. I et slikt miljø ville lys ha hatt problemer med å bevege seg fritt, fordi fotoner hele tiden ble spredt av frie elektroner. Resultatet var et univers som i praksis var mørkt.
Etter hvert som universet utvidet seg og kjølte seg ned, begynte protoner og elektroner å finne sammen. Rundt 300.000 år etter Big Bang ble nøytralt hydrogen (og en liten mengde helium) dannet. Denne gassen var mer gjennomsiktig for mange bølgelengder, men det fantes fortsatt få lyskilder som kunne lyse den opp.
Etter dette oppsto de første stjernene. Strålingen deres var sterk nok til å rive elektroner løs fra atomkjerner og dermed ionisere gassen på nytt. På dette tidspunktet var universet også blitt så mye større at gassen var mer spredt, og klarte ikke lenger å blokkere lyset på samme måte.
Omtrent én milliard år etter Big Bang, ved slutten av perioden som ofte kalles den kosmiske daggryfasen, var universet i stor grad reionisert. Da kunne lys reise langt friere gjennom rommet.
Derfor har svaret vært vanskelig å finne
Den kosmiske daggryfasen ligger ekstremt langt tilbake i tid, og observasjonene er utfordrende fordi objektene er svake og fjerne. I mange år har forskere derfor antatt at det måtte være kraftige kilder som sto for mesteparten av «oppryddingen» i tåken.
Blant kandidatene har vært enorme svarte hull som sender ut intenst lys når de sluker materiale, samt store galakser i perioder med voldsom stjernedannelse, der mange unge stjerner produserer rikelig med ultrafiolett stråling.
James Webb peker på små galakser
James Webb-romteleskopet er blant annet laget for å kunne se inn i denne tidlige perioden. Teleskopet har allerede endret flere antakelser om universets første epoker, og nå peker nye data på at dverggalakser kan være nøkkelen til reioniseringen.
Et internasjonalt forskerteam ledet av astrofysiker Hakim Atek ved Institut d’Astrophysique de Paris analyserte data fra en galaksehop kalt Abell 2744, i kombinasjon med tidligere observasjoner fra Hubble.
Abell 2744 er så massiv at den bøyer romtiden rundt seg. Effekten fungerer som en kosmisk linse som forstørrer lyset fra enda fjernere objekter bak hopens posisjon. Dermed kunne forskerne oppdage svært små galakser nær den kosmiske daggryfasen, som ellers ville vært for svake til å se.
Mer lys enn forventet
Ved hjelp av James Webb fikk forskerne detaljerte spektra av de små galaksene. Analysen viste både at slike dverggalakser trolig var den vanligste galaksetypen i det tidlige universet, og at de i tillegg var betydelig lysere enn ventet.
Ifølge resultatene kan dverggalakser ha vært rundt 100 ganger flere enn store galakser i denne perioden. Samlet sett kan de også ha bidratt med omtrent fire ganger så mye ioniserende stråling som man vanligvis har antatt at større galakser leverer.
– Disse kosmiske kraftsentrene sender samlet ut mer enn nok energi til å gjøre jobben, sier Atek.
– Til tross for den lille størrelsen er disse lavmassedannede galaksene svært effektive produsenter av energirik stråling, og de er så tallrike i denne epoken at deres samlede påvirkning kan endre hele universets tilstand, legger han til.
Trenger flere målinger
Funnene regnes som det sterkeste beviset så langt for hva som drev reioniseringen, men forskerne understreker at mer arbeid gjenstår. Analysen bygger på et begrenset område på himmelen, og det er viktig å avklare om dette er representativt for universet generelt i denne tidsperioden.
Planen videre er å undersøke flere områder der gravitasjonslinser forstørrer fjerne objekter, for å få et bredere og mer robust utvalg av tidlige galaksepopulasjoner.
– Vi har nå gått inn i ukjent terreng med James Webb, sier astrofysiker Themiya Nanayakkara ved Swinburne University of Technology i Australia.
– Dette arbeidet åpner for enda flere spennende spørsmål som vi må besvare i forsøket på å kartlegge utviklingshistorien til vårt tidlige univers, sier han.
Studien ble publisert i Nature.
