Czy to możliwe, że najdrobniejsi gracze zrobili największą robotę? Najnowsze dane z teleskopów Hubble’a i Jamesa Webba wskazują, że galaktyki karłowate były głównym źródłem wysokoenergetycznych fotonów, które oczyściły kosmos z mgły neutralnego wodoru i „włączyły światła” podczas kosmicznego świtu. Wyniki opublikowane w „Nature” porządkują wieloletni spór o to, co napędziło rejonizację Wszechświata.
Kosmiczny świt i rejonizacja – o co chodzi?
Po Wielkim Wybuchu kosmos był najpierw gorącą, nieprzezroczystą plazmą. Gdy ochłodził się po ~300 tys. latach, elektrony połączyły się z protonami, tworząc neutralny wodór – przezroczysty dla większości długości fal, ale wciąż bez licznych źródeł światła. Pojawienie się pierwszych gwiazd i galaktyk dostarczyło fotonów ultrafioletowych, które jonizowały wodór i na nowo uczyniły Wszechświat przejrzystym. Ten proces – rejonizacja – zakończył się ok. miliard lat po Wielkim Wybuchu.
Jak to odkryto? Webb, Hubble i soczewka grawitacyjna Abell 2744
Zespół Hakima Ateka wykorzystał gromadę galaktyk Abell 2744 (Pandora’s Cluster) jako naturalną soczewkę grawitacyjną. Zniekształcenia czasoprzestrzeni powiększyły światło ekstremalnie słabych, odległych galaktyk, a instrumenty JWST (NIRCam i NIRSpec) pozwoliły zmierzyć ich widma i oszacować produkcję fotonów jonizujących. Połączenie danych Webba i Hubble’a dało najdokładniejszy dotąd wgląd w populację najmniejszych galaktyk z epoki rejonizacji.
Małe, ale wściekle liczne. I zaskakująco „jonizujące”
Kluczowy wynik: ultrasłabe galaktyki w pierwszym miliardzie lat produkowały fotony jonizujące z wydajnością około czterokrotnie wyższą niż dotąd zakładano. To wystarcza, by – nawet przy niewielkim „ucieku” fotonów z galaktyk – zamknąć budżet energetyczny rejonizacji. Innymi słowy, sumaryczna emisja z całej armii karłów mogła bez problemu „rozgonić” wodorową mgłę.
Dane sugerują też, że galaktyki karłowate dominowały liczebnie we wczesnym Wszechświecie; ich zbiorowa jasność i energia przewyższały wkład większych galaktyk. To przesuwa ciężar odpowiedzialności z kwazarów i masywnych galaktyk na niskomasowe systemy gwiazdotwórcze.
„Te kosmiczne elektrownie emitują łącznie więcej niż dość energii, by wykonać zadanie” – podsumowuje Atek, a współautorka Iryna Chemerynska dodaje, że odkrycie podkreśla wagę zrozumienia galaktyk o małej masie w kształtowaniu historii Wszechświata.
Dlaczego to ważne (i co dalej)?
Przez lata brakowało bezpośrednich, spektroskopowych pomiarów tak słabych galaktyk – były po prostu zbyt nieuchwytne. JWST, w połączeniu z soczewkowaniem grawitacyjnym, przerwał impas. Choć obecne wnioski opierają się na relatywnie małym wycinku nieba, to planowane obserwacje kolejnych pól soczewkowych mają sprawdzić, czy widzimy regułę, a nie fluktuację. Kierunek jest jednak jasny: karły odegrały pierwsze skrzypce w rozświetleniu kosmosu.
Najkrótsze podsumowanie
- Rejonizację najpewniej napędzały ultrasłabe galaktyki karłowate.
- Ich wydajność fotonów jonizujących jest wyższa, niż sądziliśmy – i to wystarcza do „włączenia świateł”.
- Webb + Hubble + Abell 2744 = przełom w dostępie do najwcześniejszych galaktyk.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature .