Hoewel het universum begon met een knal, evolueerde het snel naar een relatief koel, donkere plaats. Na een paar honderdduizend jaar gingen de lichten weer aan en wetenschappers proberen nog steeds uit te zoeken waarom.

Astronomen weten dat reïonisatie het universum transparant heeft gemaakt door licht van verre sterrenstelsels bijna vrij door de kosmos te laten reizen om ons te bereiken.

Echter, astronomen begrijpen de ontsnappingssnelheid van ioniserende fotonen uit vroege sterrenstelsels niet helemaal. Dat ontsnappingspercentage is een cruciale, maar nog steeds een slecht beperkte waarde, wat betekent dat er een breed scala aan boven- en ondergrenzen is in de modellen die door astronomen zijn ontwikkeld.

Die beperking is deels te wijten aan het feit dat astronomen zich beperkten tot indirecte observatiemethoden van ioniserende fotonen, wat betekent dat ze misschien maar een paar pixels van het object zien en vervolgens aannames maken over onzichtbare aspecten. Directe detectie, of het rechtstreeks observeren van een object zoals een sterrenstelsel met een telescoop, zou een veel betere schatting van hun ontsnappingspercentage opleveren.

In een zojuist gepubliceerd artikel, een team van onderzoekers, geleid door een Universiteit van Californië, Riverside afgestudeerde student, gebruikte een directe detectiemethode en ontdekte dat de eerder gebruikte beperkingen vijf keer zijn overschat.

"Deze bevinding roept vragen op over de vraag of sterrenstelsels alleen verantwoordelijk zijn voor de reïonisatie van het universum of dat zwakke dwergstelsels buiten onze huidige detectielimieten hogere ontsnappingsfracties hebben om het stralingsbudget te verklaren dat nodig is voor de reïonisatie van het universum, " zei Kaveh Vasei, de afgestudeerde student die de hoofdauteur van de studie is.

Het is moeilijk om de eigenschappen van het vroege heelal grotendeels te begrijpen, omdat dit meer dan 12 miljard jaar geleden was. Het is bekend dat rond 380, 000 jaar na de oerknal, elektronen en protonen zijn voor het eerst aan elkaar gebonden om waterstofatomen te vormen. Ze vormen meer dan 90 procent van de atomen in het heelal, en kan zeer efficiënt hoogenergetische fotonen absorberen en geïoniseerd worden.

Echter, er waren zeer weinig bronnen om deze atomen in het vroege heelal te ioniseren. Een miljard jaar na de oerknal, het materiaal tussen de sterrenstelsels werd opnieuw geïoniseerd en werd transparanter. Algemeen wordt aangenomen dat de belangrijkste energiebron van de re-ionisatie massieve sterren zijn die in vroege sterrenstelsels zijn gevormd. Deze sterren hadden een korte levensduur en werden meestal geboren te midden van dichte gaswolken, waardoor het voor ioniserende fotonen erg moeilijk was om aan hun gaststelsels te ontsnappen.

Eerdere studies suggereerden dat ongeveer 20 procent van deze ioniserende fotonen moet ontsnappen aan de dichte gasomgeving van hun gastheerstelsels om significant bij te dragen aan de re-ionisatie van het materiaal tussen sterrenstelsels.

Helaas, een directe detectie van deze ioniserende fotonen is een grote uitdaging en eerdere pogingen waren niet erg succesvol. Daarom, de mechanismen die leiden tot hun ontsnapping zijn slecht begrepen.

Dit heeft ertoe geleid dat veel astrofysici indirecte methoden gebruiken om de fractie van ioniserende fotonen te schatten die aan de sterrenstelsels ontsnappen. In een populaire methode, het gas wordt verondersteld een "paalomheining"-distributie te hebben, waarbij wordt aangenomen dat de ruimte in sterrenstelsels is samengesteld uit gebieden met zeer weinig gas, die transparant zijn voor ioniserend licht, of gebieden met dicht gas, die ondoorzichtig zijn. Onderzoekers kunnen de fractie van elk van deze regio's bepalen door het licht (spectra) dat uit de sterrenstelsels komt te bestuderen.

In deze nieuwe door UC Riverside geleide studie, astronomen hebben direct de fractie ioniserende fotonen gemeten die ontsnapt uit het kosmische hoefijzer, een ver sterrenstelsel dat door de zwaartekracht wordt gelenseerd. Zwaartekrachtlenzen zijn de vervorming en versterking van een achtergrondobject door de kromming van ruimte en tijd als gevolg van de massa van een voorgrondstelsel. De details van het sterrenstelsel op de achtergrond worden daardoor uitvergroot, waardoor onderzoekers de licht- en fysieke eigenschappen ervan duidelijker kunnen bestuderen.

Gebaseerd op het piketomheiningsmodel, een ontsnappingsfractie van 40 procent voor ioniserende fotonen uit de Horseshoe werd verwacht. Daarom, de Horseshoe was een ideale gelegenheid om voor het eerst een foutloos, opgelost beeld van lekkende ioniserende fotonen om de mechanismen te helpen begrijpen waarmee ze aan hun gaststelsels ontsnappen.

Het onderzoeksteam nam een ​​diep beeld van de Horseshoe met de Hubble Space Telescope in een ultraviolet filter, waardoor ze ontsnappende ioniserende fotonen direct kunnen detecteren. Verrassend genoeg, de afbeelding detecteerde geen ioniserende fotonen afkomstig van de Horseshoe. Dit team beperkte de fractie van ontsnappende fotonen tot minder dan 8 procent, vijf keer kleiner dan wat was afgeleid door indirecte methoden die algemeen door astronomen worden gebruikt.

"De studie concludeert dat de eerder bepaalde fractie van de ontsnappende ioniserende straling van sterrenstelsels, zoals geschat door de meest populaire indirecte methode, wordt waarschijnlijk overschat in veel sterrenstelsels, " zei Brian Siana, co-auteur van het onderzoekspaper en een assistent-professor aan UC Riverside. "Het team concentreert zich nu op directe bepaling van de fractie ontsnappende ioniserende fotonen die niet afhankelijk zijn van indirecte schattingen."

Dit papier, "De lyman continuüm ontsnappingsfractie van het kosmische hoefijzer:een test van indirecte schattingen, " is gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .