Čudesno otkriće: Da li napokon znamo šta je "upalilo svjetla" na početku svemira?

Čini se da napokon znamo šta je donijelo svjetlo u mračnu i bezobličnu prazninu ranog Svemira.

Prema podacima sa svemirskih teleskopa Hubbles i James Webb, izvori tzv. slobodnoletećih fotona u ranoj kozmičkoj zori bile su male patuljaste galaksije koje su "planule" u život, raspršivši maglu mutnog vodika koja je na početku svemira ispunjavala međugalaktički prostor.

"Ovo otkriće otkriva ključnu ulogu koju su imale ultra-slabe galaksije u ranoj evoluciji svemira", kaže astrofizičarka Iryna Chemerynska s Instituta d'Astrophysique de Paris. "Oni proizvode ionizirajuće fotone koji pretvaraju neutralni vodik u ioniziranu plazmu tokom kozmičke reionizacije. To naglašava važnost boljeg razumijevanja galaksija male mase kako bi bolje oblikovali ono što znamo o historiji svemira."

Na početku Svemira, nekoliko minuta nakon Velikog praska, svemir je bio ispunjen vrućom, gustom maglom ionizirane plazme. Ono malo svjetla što je bilo ne bi probilo ovu maglu; fotoni bi se jednostavno raspršili sa slobodnih elektrona koji lebde okolo, učinkovito čineći svemir tamnim.

Kako se svemir hladio, nakon otprilike 300.000 godina, protoni i elektroni počeli su se spajati i stvarati neutralni plin vodik (i nešto malo helija). Većina talasnih dužina svjetlosti mogla je prodrijeti kroz ovaj neutralni medij, ali bilo je vrlo malo izvora svjetlosti koji bi je proizveli. Međutim, upravo iz ovog vodika i helija rođene su prve zvijezde.

Te prve zvijezde isporučivale su zračenje koje je bilo dovoljno jako da odvoji elektrone od svojih jezgri i reionizira plin. Do ove tačke, pak, svemir se toliko proširio da je plin bio difuzan i nije mogao spriječiti svjetlost da isijava. Otprilike jednu milijardu godina nakon Velikog praska, kraja razdoblja poznatog kao kozmička zora, Svemir je u potpunosti reioniziran. Ta-da! Svjetla su bila upaljena.

No, budući da ima toliko tame u kozmičkoj zori, i zato što je tako mutno i daleko "gledati" kroz vrijeme i prostor, imali smo problema vidjeti šta je tamo. Naučnici su smatrali da su izvori odgovorni za to morali biti moćni – ogromne crne rupe čije gomilanje proizvodi blještavo svjetlo, na primjer, ili velike galaksije u jeku stvaranja zvijezda (zvijezde bebe proizvode puno UV svjetla).

James Webb teleskop (JWST) je djelomično dizajniran da zaviri u kozmičku zoru i pokuša vidjeti što se u njoj skriva. Dosad je bio je vrlo uspješan u tome, otkrivajući razna iznenađenja o ovom ključnom trenutku u formiranju našeg svemira. Iznenađujuće, promatranja teleskopa sada sugeriraju da su patuljaste galaksije ključni igrači u reionizaciji.

Međunarodni tim predvođen astrofizičarom Hakimom Atekom s Instituta d'Astrophysique de Paris okrenuo se JWST podacima o jatu galaksija nazvanom Abell 2744, potkrijepljenim podacima s Hubblea. Abell 2744 je toliko gust da se prostor-vrijeme savija oko njega, tvoreći kozmičku leću; svako udaljeno svjetlo koje putuje do nas kroz taj prostor-vrijeme postaje uvećano. To je istraživačima omogućilo da vide malene patuljaste galaksije blizu kozmičke zore.

Zatim su upotrijebili JWST kako bi dobili detaljne spektre tih sićušnih galaksija. Njihova analiza otkrila je da ne samo da su ove patuljaste galaksije najzastupljenija vrsta galaksija u ranom Svemiru, već su i daleko svjetlije nego što se očekivalo. Zapravo, istraživanje tima pokazuje da patuljaste galaksije brojčano nadmašuju velike galaksije u omjeru 100 prema 1, a njihov zajednički učinak je četiri puta veći od ionizirajućeg zračenja koje se obično pretpostavlja za veće galaksije.

"Ove kozmičke elektrane zajedno emitiraju više nego dovoljno energije da obave posao", kaže Atek. "Uprkos svojoj sićušnoj veličini, ove galaksije male mase su plodni proizvođači energetskog zračenja, a njihovo je obilje tokom ovog perioda toliko značajno da njihov kolektivni utjecaj može transformirati cijelo stanje Svemira."

To je dosad najbolji dokaz za silu koja stoji iza reionizacije, ali ima još posla. Istraživači su pogledali samo jedan mali komadić neba; moraju biti sigurni da njihov uzorak nije samo anomalni klaster patuljastih galaksija, već da je reprezentativan uzorak cijele populacije u kozmičkoj zori.

Namjeravaju proučiti više područja neba s kozmičkim lećama kako bi dobili širi uzorak ranih galaktičkih populacija. Ali, samo na ovom jednom uzorku, rezultati su nevjerojatno uzbudljivi. Inače, naučnici tragaju za odgovorima o reionizaciji otkad znamo za nju. Na rubu smo da konačno rastjeramo maglu.

"Sada smo ušli u neistraženo područje s JWST-om", kaže astrofizičarka Themiya Nanayakkara sa Swinburne University of Technology u Australiji. "Ovaj rad otvara uzbudljiva pitanja na koja moramo odgovoriti u našim nastojanjima da iscrtamo evolucijsku povijest naših početaka."

Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature.