Ξέρουμε επιτέλους τι έφερε το φως στο σκοτεινό, άμορφο κενό του πρώιμου σύμπαντος.
Σύμφωνα με δεδομένα από τα διαστημικά τηλεσκόπια Hubble και James Webb, η προέλευση των φωτονίων που πετούν ελεύθερα στην πρώιμη κοσμική αυγή ήταν μικροί νάνοι γαλαξίες που φούντωσαν με ζωή, καθαρίζοντας τη μυστηριώδη ομίχλη υδρογόνου που γέμιζε το διαγαλαξιακό διάστημα.
«Αυτή η ανακάλυψη αποκαλύπτει τον κρίσιμο ρόλο που διαδραματίζουν οι πολύ αμυδροί γαλαξίες στην εξέλιξη του πρώιμου σύμπαντος». λέει η αστροφυσικός Irina Chemerinska Ινστιτούτο Αστροφυσικής στο Παρίσι.
“Παράγουν ιονιζόμενα φωτόνια που μετατρέπουν το ουδέτερο υδρογόνο σε ιονισμένο πλάσμα κατά τη διάρκεια του κοσμικού επαναιονισμού. Αυτό υπογραμμίζει τη σημασία της κατανόησης των γαλαξιών χαμηλής μάζας στη διαμόρφωση της ιστορίας του σύμπαντος.”
Στην αρχή του σύμπαντος, μέσα σε λίγα λεπτά από τη Μεγάλη Έκρηξη, το διάστημα γέμισε με μια καυτή, πυκνή ομίχλη ιονισμένου πλάσματος. Το λίγο φως που υπήρχε δεν θα είχε διαπεράσει αυτή την ομίχλη. Με απλά λόγια, τα φωτόνια θα διασκορπίζονταν από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που επιπλέουν γύρω, κάνοντας ουσιαστικά το σύμπαν σκοτεινό.
Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, μετά από περίπου 300.000 χρόνια, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια άρχισαν να ενώνονται για να σχηματίσουν ουδέτερο αέριο υδρογόνο (και λίγο ήλιο). Τα περισσότερα μήκη κύματος φωτός μπορούσαν να διαπεράσουν αυτό το ουδέτερο μέσο, αλλά υπήρχαν πολύ λίγες πηγές φωτός για την παραγωγή του. Όμως από υδρογόνο και ήλιο γεννήθηκαν τα πρώτα αστέρια.
Αυτά τα πρώτα αστέρια παρείχαν ακτινοβολία που ήταν αρκετά ισχυρή ώστε να απομακρύνει τα ηλεκτρόνια από τους πυρήνες τους και να επαναιονίσει το αέριο. Ωστόσο, σε αυτό το σημείο, το σύμπαν είχε επεκταθεί τόσο πολύ που το αέριο είχε απλωθεί και δεν μπορούσε να εμποδίσει το φως να λάμψει. Περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το τέλος της περιόδου που είναι γνωστή ως κοσμική αυγή, το σύμπαν επαναιονίστηκε πλήρως. Τα-ντα! Τα φώτα ήταν αναμμένα.
Αλλά επειδή υπάρχει τόσο πολύ σκοτάδι στην κοσμική αυγή, και επειδή είναι τόσο αχνό και απόμακρο στο χρόνο και στο χώρο, δυσκολευτήκαμε να δούμε τι υπάρχει εκεί. Οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι πηγές που ευθύνονται για το μεγαλύτερο μέρος αυτού του κενού πρέπει να είναι ισχυρές – τεράστιες μαύρες τρύπες των οποίων η συσσώρευση παράγει λαμπερό φως, για παράδειγμα, και τεράστιοι γαλαξίες στη μέση του σχηματισμού άστρων (τα μικρά αστέρια παράγουν πολύ υπεριώδες φως).
Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb σχεδιάστηκε εν μέρει για να κοιτάζει στην κοσμική αυγή και να προσπαθεί να δει τι βρίσκεται εκεί. Ήταν πολύ επιτυχημένο, αποκαλύπτοντας κάθε λογής εκπλήξεις για αυτήν την κρίσιμη στιγμή στο σχηματισμό του σύμπαντος μας. Παραδόξως, οι τηλεσκοπικές παρατηρήσεις δείχνουν τώρα ότι οι νάνοι γαλαξίες είναι οι κύριοι παίκτες στον επαναιονισμό.
Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τον αστροφυσικό Hakim Atiq του Ινστιτούτου Αστροφυσικής στο Παρίσι στράφηκε στα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb σχετικά με ένα σμήνος γαλαξιών που ονομάζεται Abell 2744, συμπληρωμένα με δεδομένα από το Hubble. Το Abell 2744 είναι τόσο πυκνό που ο χωροχρόνος τυλίγεται γύρω του, σχηματίζοντας έναν κοσμικό φακό. Κάθε μακρινό φως που μας ταξιδεύει μέσω του χωροχρόνου μεγεθύνεται. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να δουν μικρούς νάνους γαλαξίες κοντά στην κοσμική αυγή.
Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb για να αποκτήσουν λεπτομερή φάσματα αυτών των μικρών γαλαξιών. Η ανάλυσή τους αποκάλυψε ότι αυτοί οι νάνοι γαλαξίες δεν είναι μόνο ο πιο άφθονος τύπος γαλαξιών στο πρώιμο σύμπαν, αλλά ότι είναι πολύ φωτεινότεροι από το αναμενόμενο. Στην πραγματικότητα, η έρευνα της ομάδας δείχνει ότι οι νάνοι γαλαξίες υπερτερούν αριθμητικά των μεγάλων γαλαξιών 100 προς ένα, και ότι η συλλογική τους έξοδος είναι τετραπλάσια από την ιονίζουσα ακτινοβολία που κανονικά υποτίθεται για τους μεγαλύτερους γαλαξίες.
«Σε συνδυασμό, αυτές οι κοσμικές δυνάμεις εκπέμπουν αρκετή ενέργεια για να ολοκληρώσουν τη δουλειά». λέει ο Atik. «Παρά το μικρό τους μέγεθος, αυτοί οι γαλαξίες χαμηλής μάζας παράγουν ενεργειακή ακτινοβολία σε αφθονία και η αφθονία τους κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου είναι τόσο μεγάλη που η συλλογική τους επίδραση θα μπορούσε να αλλάξει ολόκληρη την κατάσταση του σύμπαντος».
Είναι η καλύτερη απόδειξη της δύναμης πίσω από τον επαναιονισμό, αλλά πρέπει να γίνει περισσότερη δουλειά. Οι ερευνητές κοίταξαν ένα μικρό κομμάτι του ουρανού. Πρέπει να βεβαιωθούν ότι το δείγμα τους δεν είναι απλώς μια ανώμαλη συλλογή νάνων γαλαξιών, αλλά ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα ολόκληρου του πληθυσμού την κοσμική αυγή.
Σκοπεύουν να μελετήσουν περισσότερες περιοχές κοσμικών φακών στον ουρανό για να πάρουν ένα ευρύτερο δείγμα πρώιμων σμηνών γαλαξιών. Αλλά μόνο σε αυτό το δείγμα, τα αποτελέσματα ήταν απίστευτα δραματικά. Οι επιστήμονες έψαχναν για απαντήσεις σχετικά με τον επαναιονισμό για όσο καιρό γνωρίζουμε γι' αυτόν. Είμαστε στα πρόθυρα να σηκώσουμε επιτέλους την ομίχλη.
«Έχουμε εισέλθει πλέον σε αχαρτογράφητη περιοχή με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb». λέει ο αστροφυσικός Thimya Nanayakkara Από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Swinburne στην Αυστραλία.
«Αυτό το έργο ανοίγει πιο συναρπαστικά ερωτήματα στα οποία πρέπει να απαντήσουμε στις προσπάθειές μας να χαράξουμε την εξελικτική ιστορία των απαρχών μας».
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο φύση.