Duńscy astronomowie odkryli moment gdy Wszechświat zaświecił po raz pierwszy

Wszechświat skrywa wiele tajemnic, a jedną z najbardziej fascynujących jest proces, w którym gęsta mgła neutralnego wodoru wypełniająca wczesny kosmos stała się przezroczysta dla światła. Ten moment, określany jako rejonizacja, stanowi kluczowy etap w historii naszego Wszechświata. Najnowsze badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Kopenhaskiego rzucają zupełnie nowe światło na to zjawisko, sugerując, że początek "kosmicznego świtu" mógł nastąpić znacznie wcześniej, niż dotychczas sądzono.

Badania opublikowane w prestiżowym czasopiśmie "Nature" opierają się na obserwacjach przeprowadzonych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), najnowocześniejszego narzędzia do badania kosmosu, które umożliwia zaglądanie w najodleglejsze zakątki Wszechświata. Naukowcy skupili swoją uwagę na galaktyce JADES-GS-z13-1, jednym z najstarszych obiektów astronomicznych, jaki kiedykolwiek zaobserwowano. Galaktyka ta istniała zaledwie 330 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co w kosmicznej skali czasu jest momentem niezwykle wczesnym.

To, co zaskoczyło astronomów, to wykrycie emisji Lyman-alfa pochodzącej z tej galaktyki. Jest to charakterystyczny rodzaj promieniowania ultrafioletowego emitowanego przez wodór, który zgodnie z dotychczasowymi teoriami powinien być całkowicie pochłaniany przez neutralny gaz wypełniający wczesny Wszechświat. Wykrycie tej emisji sugeruje istnienie zjonizowanej "bańki" wokół galaktyki, w której neutralny wodór został przekształcony w formę, która pozwala na przepuszczanie światła.

Joris Witstok, główny autor badania, nie kryje zaskoczenia tym odkryciem. "Wszystkie dotychczasowe dowody wskazywały na późniejsze i nagłe rozpoczęcie rejonizacji, więc to odkrycie jest zaskakujące" - komentuje naukowiec. Tradycyjnie przyjmowano, że proces rejonizacji rozpoczął się około 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co oznacza, że nowe odkrycie przesuwa tę granicę o niemal 200 milionów lat wstecz.

Jak doszło do utworzenia tej zjonizowanej przestrzeni we wczesnym Wszechświecie? Naukowcy przypuszczają, że kluczową rolę odegrało silne promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez pierwsze gwiazdy lub aktywność supermasywnych czarnych dziur. Energia ta była wystarczająca, aby zjonizować otaczający gaz, tworząc warunki umożliwiające przepływ światła przez kosmiczną "mgłę".

Aby dokładnie zbadać galaktykę JADES-GS-z13-1, astronomowie wykorzystali instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) Teleskopu Jamesa Webba. Spektroskopia przeprowadzona za pomocą instrumentu NIRSpec potwierdziła przesunięcie ku czerwieni (redshift) na poziomie z=13.05, co odpowiada odległości świetlnej około 33 miliardów lat świetlnych. Ta wartość jest zgodna z wiekiem Wszechświata wynoszącym 330 milionów lat w momencie emisji światła, które dopiero teraz dotarło do naszych teleskopów.

Odkrycie to ma fundamentalne znaczenie dla naszego rozumienia ewolucji Wszechświata. Rejonizacja jest często określana jako "oświecenie" kosmosu, ponieważ oznacza przejście z tzw. "ciemnych wieków", gdy Wszechświat był nieprzezroczysty dla promieniowania elektromagnetycznego, do ery, gdy światło mogło swobodnie przemieszczać się przez przestrzeń kosmiczną. Dzięki temu procesowi możemy dziś obserwować odległe galaktyki i kwazary, co pozwala nam badać historię i strukturę kosmosu.

Image

JADES-GS-z13-1 budzi jednak kontrowersje w środowisku naukowym. Roberto Maiolino z Uniwersytetu Cambridge podkreśla, że "wczesny Wszechświat był spowity gęstą mgłą neutralnego wodoru, więc obserwacja takiej emisji jest zaskakująca". Wiele wcześniejszych modeli kosmologicznych opierało się na danych z teleskopów takich jak Hubble i obserwacjach kosmicznego promieniowania tła, które sugerowały późniejszy początek rejonizacji.

Aby lepiej zrozumieć dynamikę tego procesu, naukowcy planują dalsze obserwacje podobnych galaktyk za pomocą JWST oraz radioteleskopów, takich jak HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) czy SKA (Square Kilometre Array). Te przyszłe badania mogą pomóc w potwierdzeniu wyników duńskich naukowców i dostarczyć dodatkowych informacji o roli pierwszych gwiazd i supermasywnych czarnych dziur w procesie rejonizacji.

Warto zauważyć, że proces rejonizacji jest napędzany przez ultrafioletowe fotony o energii większej niż 13,6 eV, co odpowiada długości fali poniżej 91,2 nm. Te fotony pochodzące z pierwszych gwiazd i galaktyk miały wystarczającą energię, aby wybić elektrony z atomów wodoru, zjonizując go i umożliwiając przepływ światła. Odkrycie JADES-GS-z13-1 sugeruje, że te wczesne źródła energetyczne mogły pojawić się wcześniej, niż dotychczas sądzono, co wymaga rewizji istniejących modeli kosmologicznych.

Na końcu artykułu w "Nature" autorzy stwierdzili: "Wykrycie światła Lyman-alfa jest wyraźnym znakiem istnienia zjonizowanej bańki wokół galaktyki. Wygląda na to, że znaleźliśmy jedną z pierwszych takich baniek, które ostatecznie uczyniły Wszechświat przezroczystym". To odkrycie otwiera nowe pytania dotyczące formowania się pierwszych gwiazd i galaktyk oraz ich wpływu na ewolucję kosmosu.

Przesunięcie początku rejonizacji o 200 milionów lat wstecz może wydawać się niewielką zmianą w kosmicznej skali czasu, ale ma ogromne znaczenie dla naszego rozumienia wczesnego Wszechświata. Sugeruje, że pierwsze gwiazdy i galaktyki mogły formować się szybciej, niż dotychczas sądzono, co stawia nowe wyzwania przed istniejącymi modelami formowania się struktur kosmicznych.