Astronomen die de Mayall-telescoop gebruiken bij Kitt Peak National Observatory, een programma van NSF's National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, hebben verschillende overlappende bellen van waterstofgas geïdentificeerd die door de sterren in vroege sterrenstelsels zijn geïoniseerd, slechts 680 miljoen jaar na de oerknal. Dit is het vroegste directe bewijs uit de periode waarin de eerste generatie sterren gevormd werd en het waterstofgas dat het heelal doordrong opnieuw begon te ioniseren.

Er was een periode in het zeer vroege heelal - bekend als de 'kosmische donkere eeuwen' - toen elementaire deeltjes, gevormd in de oerknal, waren gecombineerd om neutrale waterstof te vormen, maar er bestonden nog geen sterren of sterrenstelsels om het universum te verlichten. Deze periode begon minder dan een half miljoen jaar na de oerknal en eindigde met de vorming van de eerste sterren. Hoewel deze fase in de evolutie van ons universum wordt aangegeven door computersimulaties, direct bewijs is schaars.

Nutsvoorzieningen, astronomen gebruiken de infraroodcamera NEWFIRM op de 4-meter Mayall Telescope van het Kitt Peak National Observatory van het National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (OIR Lab) van NSF, hebben gemeld dat ze een groep sterrenstelsels in beeld hebben gebracht, bekend als EGS77, die deze eerste sterren bevat. EGS, of de Verlengde Groth Strip, is een regio die in 2005 door HST is gefotografeerd; het komt overeen met een smalle strook van de lucht over de breedte van een vinger die op armlengte wordt gehouden. Er zijn er minstens 50, 000 sterrenstelsels bekend binnen de strook. Hun resultaten werden aangekondigd op een persconferentie die vandaag werd gehouden tijdens de 235e bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in Honolulu, Hawaii.

"Het jonge universum was gevuld met waterstofatomen, die ultraviolet licht zo verzwakken dat ze ons zicht op vroege sterrenstelsels blokkeren, " zei James Rhoads van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die de bevindingen presenteerde op de persconferentie van AAS. "EGS77 is de eerste melkweggroep die betrapt wordt op het opruimen van deze kosmische mist."

Het team begon met een beeldvormend onderzoek dat was ontworpen om sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving te detecteren en combineerde deze gegevens met overeenkomstige afbeeldingen gemaakt door de Hubble-ruimtetelescoop. Hierdoor kon het team berekenen wat bekend staat als een fotometrische roodverschuiving, een proxy voor het schatten van afstand. Bij deze roodverschuivingen, het licht van een melkwegstelsel valt volledig buiten het bereik van golflengten waarvoor het menselijk oog gevoelig is (het zichtbare spectrum) voor langere (infrarode) golflengten. De criteria voor het selecteren van kandidaten voor verre melkwegstelsels omvatten een duidelijke detectie van hen in de speciale infrarood smalbandfilters die met NEWFIRM op de Mayall 4-metertelescoop worden gebruikt en een volledige niet-detectie in de optische filterbanden met kortere golflengte die door Hubble worden gebruikt. "De ontdekking van de twee zwakkere sterrenstelsels in de groep was alleen mogelijk dankzij het speciale smalbandfilter dat met NEWFIRM werd gebruikt, " zei teamleider Vithal Tilvi, een onderzoeker aan de Arizona State University in Tempe.

"Intens licht van sterrenstelsels kan het omringende waterstofgas ioniseren, bellen vormen waardoor sterrenlicht vrij kan reizen, " zei Tilvi. "EGS77 heeft een grote bel gevormd waardoor het licht zonder veel demping naar de aarde kan reizen. Eventueel, bellen zoals deze groeiden rond alle sterrenstelsels en vulden de intergalactische ruimte, de weg vrijmaken voor licht om door het universum te reizen."

EGS77 werd ontdekt als onderdeel van het Cosmic Deep And Wide Narrowband (Cosmic DAWN) onderzoek, waarvoor Rhoads als hoofdonderzoeker fungeert. Het team heeft een klein gebied in het sterrenbeeld Boötes in beeld gebracht met behulp van een op maat gemaakt filter op de Extremely Wide-Field InfraRed imager (NEWFIRM) van de National Optical Astronomy Observatory. Ron Probst, een DAWN-teamlid dat ook hielp bij het ontwikkelen van NEWFIRM, voegt toe, "Deze resultaten tonen de waarde aan van het handhaven van instrumenten bij onze nationale observatoria die krachtig zijn en zich flexibel kunnen aanpassen om nieuwe wetenschappelijke vragen na te streven, vragen die misschien niet in gedachten waren toen een instrument oorspronkelijk werd gebouwd."

Eenmaal geïdentificeerd, de afstanden en dus de leeftijden van deze sterrenstelsels werden bevestigd met spectra die werden genomen met de MOSFIRE-spectrograaf bij de Keck I-telescoop van het W.M. Keck Observatorium op Maunakea in Hawaï. Alle drie sterrenstelsels vertonen sterke emissielijnen van waterstof Lyman alfa bij een roodverschuiving (z =7,7), wat betekent dat we ze ongeveer 680 miljoen jaar na de oerknal zien. De grootte van de geïoniseerde bel rond elk werd afgeleid van computermodellering. Deze bubbels overlappen elkaar ruimtelijk, maar zijn groot genoeg (ongeveer 2,2 miljoen lichtjaar) dat de alfafotonen van Lyman een roodverschuiving ondergaan voordat ze de grens van de bel bereiken en zo ongedeerd kunnen ontsnappen, waardoor astronomen ze kunnen detecteren.

"We verwachtten dat reïonisatiebellen uit dit tijdperk in de kosmische geschiedenis zeldzaam en moeilijk te vinden zouden zijn, " zei Sangeeta Malhotra, een medewerker bij NASA GSFC, "Dus bevestiging van deze overgang is belangrijk." Deze "kosmische dageraad, " de tussentoestand tussen een neutraal en een geïoniseerd heelal, is iets dat is voorspeld. Dergelijke ontdekkingen worden mogelijk gemaakt door de beschikbaarheid van krachtige astronomische instrumenten die het universum kunnen onderzoeken op een manier die vorige generaties astronomen niet hadden kunnen bedenken.

Dit onderzoek zal in een volgende paper worden gepresenteerd en is momenteel bijna geaccepteerd.