Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Wat maakte een einde aan de donkere middeleeuwen in het vroege heelal? Nieuwe Webb-gegevens hebben ons zojuist dichter bij het oplossen van het mysterie gebracht

Credits:NASA / ESA / CSA / Ivo Labbe (Swinburne) / Rachel Bezanson (Universiteit van Pittsburgh) / Alyssa Pagan (STScI)

Ongeveer 400.000 jaar na de oerknal was de kosmos een zeer donkere plek. De gloed van de explosieve geboorte van het universum was afgekoeld en de ruimte was gevuld met dicht gas (meestal waterstof) zonder lichtbronnen.



Langzaam, gedurende honderden miljoenen jaren, werd het gas door de zwaartekracht tot klonten getrokken, en uiteindelijk werden de klonten groot genoeg om te ontbranden. Dit waren de eerste sterren.

Aanvankelijk reikte hun licht niet ver, omdat een groot deel ervan werd geabsorbeerd door een mist van waterstofgas. Naarmate er echter steeds meer sterren ontstonden, produceerden ze genoeg licht om de mist weg te branden door het gas te 'reïoniseren', waardoor het transparante universum ontstond, bezaaid met schitterende lichtpunten die we vandaag de dag zien.

Maar welke sterren produceerden precies het licht dat een einde maakte aan de donkere middeleeuwen en dit zogenaamde ‘tijdperk van reïonisatie’ in gang zette? In onderzoek gepubliceerd in Nature hebben we een gigantische cluster van sterrenstelsels als vergrootglas gebruikt om naar zwakke overblijfselen uit deze tijd te kijken – en ontdekten we dat sterren in kleine, zwakke dwergstelsels waarschijnlijk verantwoordelijk waren voor deze transformatie op kosmische schaal.

Wat maakte een einde aan de donkere middeleeuwen?

De meeste astronomen waren het er al over eens dat sterrenstelsels de belangrijkste kracht waren bij het reïoniseren van het heelal, maar het was niet duidelijk hoe ze dat deden. We weten dat sterren in sterrenstelsels veel ioniserende fotonen zouden moeten maken, maar deze fotonen moeten ontsnappen aan het stof en gas in hun eigen sterrenstelsel om waterstof in de ruimte tussen sterrenstelsels te ioniseren.

Het is nog niet duidelijk welk soort sterrenstelsels in staat zouden zijn voldoende fotonen te produceren en uit te zenden om de klus te klaren. (En er zijn inderdaad mensen die denken dat meer exotische objecten zoals grote zwarte gaten hiervoor verantwoordelijk kunnen zijn.)

Er zijn twee kampen onder de aanhangers van de sterrenstelseltheorie.

De eerste denkt dat enorme, massieve sterrenstelsels de ioniserende fotonen produceerden. Er waren niet veel van deze sterrenstelsels in het vroege heelal, maar ze produceerden allemaal veel licht. Dus als een bepaald deel van dat licht wist te ontsnappen, zou dat voldoende kunnen zijn om het heelal te reïoniseren.

Het tweede kamp denkt dat we de gigantische sterrenstelsels beter kunnen negeren en ons kunnen concentreren op het enorme aantal veel kleinere sterrenstelsels in het vroege heelal. Elk van deze zou veel minder ioniserend licht hebben geproduceerd, maar met het gewicht van hun aantal hadden ze het tijdperk van reionisatie kunnen aandrijven.

Twee van de verste sterrenstelsels ooit gezien, vergroot door de Cluster van Pandora. Credit:NASA / ESA / CSA / T. Treu (UCLA), CC BY

Een vergrootglas van 4 miljoen lichtjaar breed

Proberen naar iets in het vroege heelal te kijken is erg moeilijk. De massieve sterrenstelsels zijn zeldzaam en dus moeilijk te vinden. Kleinere sterrenstelsels komen vaker voor, maar ze zijn erg zwak, waardoor het moeilijk (en duur) is om gegevens van hoge kwaliteit te verkrijgen.

We wilden een kijkje nemen naar enkele van de zwakste sterrenstelsels die er zijn, dus gebruikten we een enorme groep sterrenstelsels, de Pandora-cluster, als vergrootglas. De enorme massa van de cluster vervormt ruimte en tijd, waardoor het licht van objecten erachter wordt versterkt.

Als onderdeel van het UNCOVER-programma hebben we de James Webb-ruimtetelescoop gebruikt om te kijken naar vergrote infraroodbeelden van zwakke sterrenstelsels achter de Cluster van Pandora.

We hebben eerst naar veel verschillende sterrenstelsels gekeken en vervolgens een paar bijzonder verre (en dus oude) sterrenstelsels uitgekozen om nader te onderzoeken. (Dit soort nauwkeurig onderzoek is duur, dus we konden slechts acht sterrenstelsels in meer detail bekijken.)

De heldere gloed van waterstof

We selecteerden enkele bronnen die op dat moment ongeveer 0,5% van de helderheid van ons Melkwegstelsel hadden, en controleerden ze op de veelbetekenende gloed van geïoniseerd waterstof. Deze sterrenstelsels zijn zo zwak dat ze alleen zichtbaar waren dankzij het vergrotende effect van de Cluster van Pandora.

Onze waarnemingen bevestigden dat deze kleine sterrenstelsels inderdaad in het zeer vroege heelal bestonden. Bovendien hebben we bevestigd dat ze ongeveer vier keer zoveel ioniserend licht produceerden als we als ‘normaal’ zouden beschouwen. Dit is het hoogste punt van wat we hadden voorspeld, gebaseerd op ons begrip van hoe vroege sterren ontstonden.

Omdat deze sterrenstelsels zoveel ioniserend licht produceerden, had slechts een klein deel ervan moeten ontsnappen om het universum opnieuw te ioniseren.

Eerder hadden we gedacht dat ongeveer 20% van alle ioniserende fotonen uit deze kleinere sterrenstelsels zou moeten ontsnappen als ze de dominante bijdrage aan reionisatie zouden willen leveren. Onze nieuwe gegevens suggereren dat zelfs 5% voldoende zou zijn – wat ongeveer de fractie is van de ioniserende fotonen die we uit moderne sterrenstelsels zien ontsnappen.

We kunnen nu dus vol vertrouwen zeggen dat deze kleinere sterrenstelsels een zeer grote rol hadden kunnen spelen in het tijdperk van reïonisatie. Ons onderzoek was echter slechts gebaseerd op acht sterrenstelsels, allemaal dichtbij één gezichtslijn. Om onze resultaten te bevestigen, zullen we naar verschillende delen van de hemel moeten kijken.

We hebben nieuwe waarnemingen gepland die zich zullen richten op andere grote clusters van sterrenstelsels elders in het universum om nog meer vergrote, zwakke sterrenstelsels te vinden om te testen. Als alles goed gaat, zullen we over een paar jaar enkele antwoorden hebben.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe succesvol te zijn in de microbiologie
  2. Een eenvoudig diercelmodel maken
  3. Voordelen en nadelen van XRD en XRF
  4. Wat is de schijfachtige structuur aan de zijde van chloroplasten?
  5. Nieuwe antibioticaresistentiegenen gevonden
  6. Onderbroken herprogrammering zet volwassen cellen om in hoge opbrengsten van voorloperachtige cellen
  7. Hoe wordt DNA-splitsing gebruikt in de biotechnologie?
  8. De mysterieuze Denisovans
  9. Waarschijnlijke voorouder van alle geïdentificeerde moderne hoefdieren

Wetenschap