Astronomen onder leiding van David Sobral en Jorryt Matthee, van de universiteiten van Lancaster in het Verenigd Koninkrijk en Leiden in Nederland hebben gigantische halo's ontdekt rond vroege melkwegstelsels, gemaakt van fotonen (elementaire lichtdeeltjes) die hebben geworsteld om eraan te ontsnappen. Het team rapporteert zijn bevindingen in het tijdschrift Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society .

Om te begrijpen hoe ons eigen Melkwegstelsel gevormd en geëvolueerd is, astronomen vertrouwen op het observeren van verre sterrenstelsels. Omdat hun licht er miljarden jaren over doet om ons te bereiken, telescopen kunnen worden gebruikt als tijdmachines, zolang we een duidelijke indicator hebben om de afstand tot de waargenomen objecten te bepalen. Net als bij dichtere sterrenstelsels, sterren en planeten, astronomen gebruiken de techniek van spectroscopie om hun licht te analyseren, het verspreiden in een spectrum.

Wetenschappers zoeken vervolgens naar karakteristieke kenmerken (spectraallijnen) die hen vertellen over eigenschappen, waaronder de samenstelling, temperatuur en beweging van het object. Met de verste sterrenstelsels, slechts één spectrale functie valt meestal op, de zogenaamde Lyman-alpha-lijn geassocieerd met waterstofgas.

Jorryt Matthee merkt op:"Pasgeboren sterren in zeer verre sterrenstelsels zijn heet genoeg om waterstof in omringende gaswolken af ​​te breken, die dan helder schijnt in Lyman-alpha licht, in theorie de sterkste kenmerken die waarneembaar zijn in een ver sterrenstelsel. Maar in de praktijk, Lyman-alfa-fotonen worstelen om sterrenstelsels te ontsnappen terwijl gas en stof blokkeren en hun reispaden uiteenlopen, waardoor het een complex proces is om te begrijpen."

Met behulp van de Isaac Newton Telescope (INT) op La Palma op de Canarische Eilanden, astronomen ontwikkelden een uniek experiment om bijna 1000 verre sterrenstelsels te bestuderen. Ze onderzochten de lucht met behulp van de Wide Field Camera en op maat gemaakte filters, om te meten waar de Lyman-alpha wordt geproduceerd, hoeveel er van is, en waar het uit sterrenstelsels komt.

David Sobral zegt:"We hebben tientallen speciale nachten op de INT gebruikt om te begrijpen hoe Lyman-alfa-fotonen ontsnappen, en van welke sterrenstelsels. We keken 11 miljard jaar terug in de tijd, in wezen de grens van waar we verre sterrenstelsels kunnen identificeren en in detail kunnen bestuderen. Het belangrijkste is, we waren in staat om nauwkeurig te voorspellen hoeveel Lyman-alpha-fotonen effectief werden geproduceerd in elk sterrenstelsel en waar dit gebeurde. Die hebben we vervolgens vergeleken met diegene die daadwerkelijk de INT bereiken."

De resultaten laten zien dat slechts 1-2% van die fotonen ontsnappen uit de centra van sterrenstelsels zoals de Melkweg. Zelfs als we rekening houden met alle fotonen op grote afstand van het centrum, minder dan 10% ontsnapt.

"Galaxies die sterren vormen in het verre heelal lijken te zijn omgeven door een indrukwekkend groot, zwakke halo van Lyman-alpha-fotonen die honderdduizenden lichtjaren moesten reizen in een bijna eindeloze reeks van absorptie- en heremissiegebeurtenissen, totdat ze eindelijk vrij waren. We moeten nu precies begrijpen hoe en waarom dat gebeurt", voegt Sobral toe.

Wanneer de James Webb-ruimtetelescoop in 2018 in gebruik wordt genomen, astronomen verwachten nog verder terug in de tijd te kunnen kijken, het openen van een nieuw venster op de eerste sterrenstelsels en sterren. Als we bestuderen hoe de ontsnappingsfractie in de loop van de tijd evolueert, kunnen we meer te weten komen over het soort sterren dat deze fotonen produceert. en de eigenschappen van interstellair en intergalactisch gas.