Een groep astronomen onder leiding van Sarah Bosman van het Max Planck Instituut voor Astronomie heeft het einde van het tijdperk van reïonisatie van het neutrale waterstofgas nauwkeurig getimed tot ongeveer 1,1 miljard jaar na de oerknal. Reïonisatie begon toen de eerste generatie sterren zich vormde na de kosmische 'donkere eeuwen', een lange periode waarin alleen neutraal gas het universum vulde zonder enige lichtbron. Het nieuwe resultaat beslecht een debat dat twee decennia heeft geduurd en volgt uit de stralingssignaturen van 67 quasars met afdrukken van het waterstofgas waar het licht doorheen ging voordat het de aarde bereikte. Door het einde van deze 'kosmische dageraad' te lokaliseren, kunnen de ioniserende bronnen worden geïdentificeerd:de eerste sterren en sterrenstelsels.

Het universum heeft verschillende fasen doorgemaakt vanaf het begin tot de huidige staat. Tijdens de eerste 380.000 jaar na de oerknal was het een heet en dicht geïoniseerd plasma. Na deze periode koelde het voldoende af voor de protonen en elektronen die het universum vulden om zich te combineren tot neutrale waterstofatomen. Tijdens deze 'donkere eeuwen' had het universum voor het grootste deel geen bronnen van zichtbaar licht. Met de komst van de eerste sterren en sterrenstelsels, ongeveer 100 miljoen jaar later, werd dat gas geleidelijk weer geïoniseerd door de ultraviolette (UV) straling van de sterren. Dit proces scheidt de elektronen van de protonen, waardoor ze als vrije deeltjes achterblijven. Dit tijdperk staat algemeen bekend als de 'kosmische dageraad'. Tegenwoordig is alle waterstof die zich tussen sterrenstelsels verspreidt, het intergalactische gas, volledig geïoniseerd. Wanneer dat gebeurde, is echter een veelbesproken onderwerp onder wetenschappers en een zeer competitief onderzoeksgebied.

Een laat einde van de kosmische dageraad

Een internationaal team van astronomen onder leiding van Sarah Bosman van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland, heeft het einde van het tijdperk van de reïonisatie nu precies getimed tot 1,1 miljard jaar na de oerknal. "Ik ben gefascineerd door het idee van de verschillende fasen die het universum doormaakte die leidden tot de vorming van de zon en de aarde. Het is een groot voorrecht om een ​​nieuw stukje bij te dragen aan onze kennis van de kosmische geschiedenis", zegt Sarah Bosman. Zij is de hoofdauteur van het onderzoeksartikel dat verschijnt in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vandaag.

Frederick Davies, ook een MPIA-astronoom en co-auteur van het artikel, merkt op:"Tot een paar jaar geleden was de heersende wijsheid dat de reïonisatie bijna 200 miljoen jaar eerder was voltooid. Hier hebben we nu het sterkste bewijs dat het proces veel eindigde later, tijdens een kosmisch tijdperk dat beter waarneembaar is door de huidige generatie waarnemingsfaciliteiten." Deze tijdcorrectie lijkt misschien marginaal gezien de miljarden jaren sinds de oerknal. Een paar honderd miljoen jaar meer was echter voldoende om in de vroege kosmische evolutie tientallen generaties van sterren voort te brengen. De timing van het 'kosmische dageraad'-tijdperk beperkt de aard en levensduur van de aanwezige ioniserende bronnen gedurende de honderden miljoen jaar dat het duurde.

Deze indirecte benadering is momenteel de enige manier om de objecten te karakteriseren die het proces van reïonisatie hebben aangestuurd. Het rechtstreeks observeren van die eerste sterren en sterrenstelsels gaat de mogelijkheden van hedendaagse telescopen te boven. Ze zijn gewoon te zwak om binnen een redelijke tijd bruikbare gegevens te verkrijgen. Zelfs faciliteiten van de volgende generatie zoals ESO's Extremely Large Telescope (ELT) of de James Webb Space Telescope kunnen met zo'n taak worstelen.

Quasars als kosmische sondes

Om te onderzoeken wanneer het heelal volledig geïoniseerd was, passen wetenschappers verschillende methoden toe. Een daarvan is het meten van de emissie van neutraal waterstofgas bij de beroemde spectraallijn van 21 centimeter. In plaats daarvan analyseerden Sarah Bosman en haar collega's het licht dat werd ontvangen van sterke achtergrondbronnen. Ze gebruikten 67 quasars, de heldere schijven van heet gas die de centrale massieve zwarte gaten in verre actieve sterrenstelsels omringen. Kijkend naar een quasarspectrum, dat de intensiteit ervan visualiseert, verdeeld over de waargenomen golflengten, vinden astronomen patronen waar licht lijkt te ontbreken. Dat noemen wetenschappers absorptielijnen. Neutraal waterstofgas absorbeert dit deel van het licht tijdens zijn reis van de bron naar de telescoop. De spectra van die 67 quasars zijn van ongekende kwaliteit, wat cruciaal was voor het succes van deze studie.

Bij de methode wordt gekeken naar een spectraallijn die overeenkomt met een golflengte van 121,6 nanometer. Deze golflengte behoort tot het UV-bereik en is de sterkste waterstofspectraallijn. De kosmische expansie verschuift echter het quasarspectrum naar langere golflengten naarmate het licht verder reist. Daarom kan de roodverschuiving van de waargenomen UV-absorptielijn worden vertaald in de afstand tot de aarde. In dit onderzoek had het effect de UV-lijn naar het infraroodbereik verplaatst toen deze de telescoop bereikte.

Afhankelijk van de fractie tussen neutraal en geïoniseerd waterstofgas bereikt de mate van absorptie, of omgekeerd, de transmissie door een dergelijke wolk, een bepaalde waarde. Wanneer het licht een gebied ontmoet met een hoge fractie geïoniseerd gas, kan het UV-straling niet zo efficiënt absorberen. Dit pand is waar het team naar op zoek was.

Het quasarlicht passeert vele waterstofwolken op verschillende afstanden op zijn pad, en elk daarvan laat zijn afdruk achter met kleinere roodverschuivingen van het UV-bereik. In theorie zou het analyseren van de verandering in transmissie per roodverschoven lijn de tijd of afstand moeten opleveren waarop het waterstofgas volledig geïoniseerd was

Modellen helpen concurrerende invloeden te ontwarren

Helaas zijn de omstandigheden nog ingewikkelder. Sinds het einde van de re-ionisatie is alleen de intergalactische ruimte volledig geïoniseerd. Er is een netwerk van gedeeltelijk neutrale materie dat sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels met elkaar verbindt, het 'kosmische web'. Waar het waterstofgas neutraal is, laat het ook zijn sporen na in het quasarlicht.

Om deze invloeden te ontrafelen, heeft het team een ​​fysiek model toegepast dat variaties reproduceert die zijn gemeten in een veel later tijdperk, toen het intergalactische gas al volledig geïoniseerd was. Toen ze het model vergeleken met hun resultaten, ontdekten ze een afwijking bij een golflengte waarbij de lijn van 121,6 nanometer een factor 5,3 keer verschoven was, wat overeenkomt met een kosmische leeftijd van 1,1 miljard jaar. Deze overgang geeft het tijdstip aan waarop veranderingen in het gemeten quasarlicht inconsistent worden met fluctuaties van alleen het kosmische web. Dat was dus de laatste periode waarin neutraal waterstofgas aanwezig moet zijn geweest in de intergalactische ruimte en vervolgens geïoniseerd werd. Het was het einde van de 'kosmische dageraad'.

De toekomst is rooskleurig

"Deze nieuwe dataset biedt een cruciale benchmark waartegen numerieke simulaties van de eerste miljard jaar van het universum de komende jaren zullen worden getest", zegt Frederick Davies. Ze zullen helpen bij het karakteriseren van de ioniserende bronnen, de allereerste generaties sterren.

"De meest opwindende toekomstige richting voor ons werk is om het uit te breiden naar nog vroegere tijden, in de richting van het midden van het reïonisatieproces", merkt Sarah Bosman op. "Helaas betekenen grotere afstanden dat die eerdere quasars aanzienlijk zwakker zijn. Daarom zal het grotere verzamelgebied van de volgende generatie telescopen zoals de ELT cruciaal zijn." + Verder verkennen

Ontdekking van een lichtgevend sterrenstelsel dat 13 miljard jaar geleden het lokale intergalactische medium opnieuw tot leven bracht