Osiemnaście galaktyk z zarania Wszechświata mogło wydrążyć pierwszą znaną bańkę rejonizacji

Gdy Wszechświat miał niespełna pół miliarda lat, wciąż tonął w gęstej mgle neutralnego wodoru, która blokowała swobodny przepływ światła. Nowe dane z przeglądu JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), zebrane Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba, wskazują jednak, że w jednym miejscu nieba aż osiemnaście stłoczonych ze sobą galaktyk mogło już wtedy przebijać tę mgłę, tworząc rozszerzającą się bańkę zjonizowanego gazu. Wyniki, opublikowane właśnie w The Astrophysical Journal, dają astronomom rzadką okazję do obserwowania samych początków procesu, który ostatecznie rozjaśnił cały kosmos.

Mapa pola JADES GOODS-S z zaznaczonymi galaktykami o przesunięciu ku czerwieni 10 < z < 12. Wielkość i odcień kropek odpowiadają jasności i fotometrycznemu przesunięciu ku czerwieni poszczególnych obiektów. Szare kontury obrazują lokalną gęstość galaktyk – widoczne po prawej stronie gęste skupisko z koncentrycznymi pierścieniami to opisywana w artykule nadgęstość osiemnastu galaktyk przy z ≈ 10,5. Źródło: Wu i in. 2026, The Astrophysical Journal

Wszechświat spowity mgłą wodoru

Rejonizacja to jeden z kluczowych, a zarazem wciąż słabo poznanych etapów historii Wszechświata. Po Wielkim Wybuchu materia ostygła na tyle, że elektrony i protony połączyły się w neutralny wodór, który skutecznie rozpraszał i pochłaniał światło. Wszechświat pogrążył się wówczas w tak zwanych Wiekach Ciemnych. Dopiero pierwsze gwiazdy i galaktyki zaczęły emitować promieniowanie na tyle energetyczne, by ponownie zjonizować otaczający je gaz – najpierw lokalnie, w postaci niewielkich baniek wokół najbardziej aktywnych obiektów, a z czasem w skali całego kosmosu.

Problem w tym, że bezpośrednie uchwycenie takiej bańki w akcie tworzenia jest niezwykle trudne. Zespół kierowany przez Zihao Wu z Centrum Astrofizyki Harvard-Smithsonian przeanalizował dane z pola GOODS-S (ang. Great Observatories Origins Deep Survey South) w poszukiwaniu miejsc, gdzie galaktyki grupują się gęściej, niż wynikałoby to ze średniej (tzw. nadgęstość). Takie zagęszczenia są dobrymi kandydatami na źródła wczesnej rejonizacji, ponieważ skupiona w jednym miejscu duża liczba młodych, gorących gwiazd może wspólnie wydrążyć w otaczającym wodorze przestrzeń wolną od jego pochłaniającego działania.

Osiemnaście galaktyk w jednym miejscu

W zachodniej części pola GOODS-S badacze zidentyfikowali grupę osiemnastu galaktyk znajdujących się przy przesunięciu ku czerwieni z ≈ 10,5, co odpowiada właśnie pierwszym pięciuset milionom lat istnienia Wszechświata. Gęstość galaktyk w tym rejonie jest aż czterokrotnie wyższa od tego, czego należałoby się spodziewać w przypadkowo wybranym fragmencie nieba. Co więcej, obiekty te odpowiadają za jedną trzecią wszystkich podobnie jasnych galaktyk w badanym polu i niemal połowę całkowitego tempa powstawania gwiazd przy tym przesunięciu ku czerwieni.

Galaktyki wchodzące w skład nadgęstości częściej niż przeciętne obiekty z tego okresu mają bliskich sąsiadów i nieregularne, złożone struktury – to sygnał, że oddziałują ze sobą grawitacyjnie, prawdopodobnie zderzając się i łącząc. Same jednak nie wykazują wyjątkowo podwyższonego tempa powstawania gwiazd w przeliczeniu na pojedynczy obiekt – ich masy gwiazdowe i tempo gwiazdotwórcze mieszczą się w typowych dla tej epoki wartościach. To sugeruje, że o potencjale rejonizacyjnym tego rejonu decyduje przede wszystkim sama liczba galaktyk skupionych w jednym miejscu, a nie wyjątkowa aktywność pojedynczych obiektów.

Ślad światła Lymana-alfa

Kluczowego dowodu dostarczyła linia Lymana-alfa – promieniowanie emitowane przez wodór, które w epoce rejonizacji zwykle jest silnie rozpraszane przez otaczający neutralny gaz i praktycznie niemożliwe do zaobserwowania. Tymczasem w badanym rejonie zespół Wu zauważył, że natężenie tej linii zmienia się w zależności od położenia: jest silniejsze w centrum nadgęstości, a słabnie w kierunku jej obrzeży. Taki rozkład dokładnie odpowiada temu, czego należałoby oczekiwać, gdyby w centrum grupy galaktyk rzeczywiście istniała już strefa zjonizowanego gazu o promieniu rzędu 6 megaparseków współporuszających się – światło Lyman-alfa mogłoby swobodniej przechodzić przez taką bańkę, natomiast na jej granicy napotykałoby wciąż nieprzezroczysty, neutralny ośrodek międzygalaktyczny.

Jak podkreślają autorzy, gdyby te wyniki się potwierdziły, byłaby to najwcześniejsza znana bańka rejonizacji wytworzona przez nadgęstość galaktyk. Zastrzegają jednak, że wnioski mają na razie charakter wstępny, ponieważ opierają się wyłącznie na danych fotometrycznych, a nie na precyzyjnych pomiarach spektroskopowych.

Co dalej

Zespół planuje już kolejny etap badań w ramach piątego cyklu obserwacyjnego Teleskopu Webba, wykorzystując spektrograf NIRSpec w trybie Prism oraz siatkę G140M, by uzyskać dokładne pomiary przesunięcia ku czerwieni i potwierdzić obecność charakterystycznych cech widmowych. W dalszej kolejności naukowcy chcą również sięgnąć po obserwacje interferometru ALMA, celując w linie wodoru (Hα) i podwójnie zjonizowanego tlenu ([O III]), co pozwoli zrekonstruować trójwymiarową strukturę całej nadgęstości. Jeśli hipoteza się potwierdzi, region ten stanie się unikalnym laboratorium do badania, jak wyglądały pierwsze etapy jednego z najważniejszych procesów w historii Wszechświata – tego, dzięki któremu światło mogło w końcu swobodnie popłynąć przez kosmos.

Źródła główne: