Grote verschillen in de 'mistigheid' van het vroege heelal werden veroorzaakt door eilanden van koud gas die achterbleven toen het heelal opwarmde na de oerknal, volgens een internationaal team van astronomen.

De resultaten, gerapporteerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society , hebben astronomen in staat gesteld om in te zoomen op het moment waarop de reïonisatie eindigde en het universum uit een koude en donkere toestand tevoorschijn kwam om te worden wat het nu is:vol heet en geïoniseerd waterstofgas dat de ruimte tussen lichtgevende sterrenstelsels doordringt.

Waterstofgas dimt het licht van verre sterrenstelsels, net zoals straatverlichting wordt gedimd door mist op een winterochtend. Door deze verduistering waar te nemen in de spectra van een speciaal type heldere sterrenstelsels, quasars genoemd, astronomen kunnen de omstandigheden in het vroege heelal bestuderen.

In de afgelopen jaren, observaties van dit specifieke dimpatroon (het Lyman-alpha Forest genoemd) suggereerden dat de mistigheid van het universum aanzienlijk varieert van het ene deel van het universum tot het andere, maar de reden achter deze variaties was onbekend.

"We verwachtten dat het licht van quasars op dit moment van plaats tot plaats maximaal een factor twee zou variëren, maar het blijkt te variëren met een factor van ongeveer 500, " zei hoofdauteur Girish Kulkarni, die het onderzoek voltooide terwijl een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Cambridge. "Er werden enkele hypothesen naar voren gebracht waarom dit zo is, maar geen enkele was bevredigend."

De nieuwe studie concludeert dat deze variaties het gevolg zijn van grote regio's vol koud waterstofgas dat aanwezig was in het universum toen het slechts een miljard jaar oud was, een resultaat waarmee onderzoekers kunnen bepalen wanneer de reïonisatie eindigde.

Tijdens de reïonisatie, toen het universum de kosmische 'donkere eeuwen' verliet, de ruimte tussen sterrenstelsels was gevuld met een plasma van geïoniseerde waterstof met een temperatuur van ongeveer 10, 000˚C. Dit is een raadsel, want vijftig miljoen jaar na de oerknal, het universum was koud en donker. Het bevatte gas met temperaturen slechts enkele graden boven het absolute nulpunt, en geen lichtgevende sterren en sterrenstelsels. Hoe komt het dan dat vandaag, ongeveer 13,6 miljard jaar later, het universum baadt in het licht van sterren in verschillende sterrenstelsels, en het gas is duizend keer heter?

Het beantwoorden van deze vraag is de afgelopen twee decennia een belangrijk doel geweest van kosmologisch onderzoek. De conclusies van de nieuwe studie suggereren dat reïonisatie plaatsvond 1,1 miljard jaar na de oerknal (of 12,7 miljard jaar geleden), een stuk later dan eerder werd gedacht.

Het team van onderzoekers uit India, het VK, Canada, Duitsland, en Frankrijk trokken hun conclusies met behulp van ultramoderne computersimulaties uitgevoerd op supercomputers van de universiteiten van Cambridge, Durham, en Parijs, gefinancierd door de UK Science and Technology Facilities Council (STFC) en het Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE).

"Toen het universum 1,1 miljard jaar oud was, waren er nog grote delen van de kosmos waar het gas tussen sterrenstelsels nog koud was en het zijn deze neutrale eilanden van koud gas die de raadselachtige waarnemingen verklaren, " zei Martin Haehnelt van de Universiteit van Cambridge, die de groep leidde die dit onderzoek uitvoerde, ondersteund door financiering van de European Research Council (ERC).

"Dit stelt ons eindelijk in staat om het einde van de reïonisatie veel nauwkeuriger dan voorheen te lokaliseren, " zei Laura Keating van het Canadian Institute of Theoretical Astrophysics.

De nieuwe studie suggereert dat het heelal opnieuw werd geïoniseerd door licht van jonge sterren in de eerste sterrenstelsels die zich vormden.

"Late reïonisatie is ook goed nieuws voor toekomstige experimenten die gericht zijn op het detecteren van de neutrale waterstof uit het vroege heelal, " zei Kulkarni, die nu is gevestigd in het Tata Institute of Fundamental Research in India. "Hoe later de reïonisatie, hoe gemakkelijker het zal zijn voor deze experimenten om te slagen."

Een voorbeeld van zo'n experiment is de Square Kilometre Array (SKA) van tien landen, waarvan Canada, Frankrijk, Indië, en het VK zijn lid.