Astronomen zien verre Galaxy-groep rijden in oude kosmische make-over

[univers]

Een internationaal team van astronomen, gedeeltelijk gefinancierd door NASA, heeft de verste melkweggroep gevonden die tot nu toe is geïdentificeerd. Het trio van sterrenstelsels wordt EGS77 genoemd en dateert uit een tijd waarin het universum slechts 680 miljoen jaar oud was, of minder dan 5% van de huidige leeftijd van 13,8 miljard jaar.

Nog belangrijker is dat observaties aantonen dat sterrenstelsels deelnemen aan een ingrijpende kosmische make-over, reionisatie genaamd. Het tijdperk begon toen licht van de eerste sterren de aard van waterstof door het universum veranderde op een manier die lijkt op een bevroren meer dat smelt in het voorjaar. Dit transformeerde de donkere, lichtblussende vroege kosmos in degene die we vandaag om ons heen zien.


Deze animatie toont de plaats van EGS77 in de kosmische geschiedenis, vliegt naar de sterrenstelsels en illustreert hoe ultraviolet licht van hun sterren bellen van geïoniseerde waterstof om hen heen creëert.
Credits: NASA's Goddard Space Flight Center

"Het jonge universum was gevuld met waterstofatomen, die ultraviolet licht zo afzwakken dat ze ons zicht op vroege sterrenstelsels blokkeren," zei James Rhoads in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, die de bevindingen presenteerde op 5 januari op de 235e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Honolulu. "EGS77 is de eerste melkweggroep die wordt betrapt op het opruimen van deze kosmische mist."

Hoewel verder weg gelegen individuele sterrenstelsels zijn waargenomen, is EGS77 de verste melkweggroep tot nu toe met de specifieke golflengten van ver-ultraviolet licht dat wordt onthuld door reionisatie. Deze emissie, Lyman alpha light genoemd, is prominent aanwezig in alle leden van EGS77.

In zijn vroegste fase was het universum een ​​gloeiend plasma van deeltjes, waaronder elektronen, protonen, atoomkernen en licht. Atomen konden nog niet bestaan. Het universum bevond zich in een geïoniseerde toestand, vergelijkbaar met het gas in een verlicht neonlicht of fluorescerende buis.

Nadat het universum zich ongeveer 380.000 jaar had uitgebreid en afgekoeld, bundelden elektronen en protonen zich in de eerste atomen - meer dan 90% daarvan waterstof. Honderden miljoenen jaren later vormde dit gas de eerste sterren en sterrenstelsels. Maar de aanwezigheid van dit overvloedige gas vormt een uitdaging voor het spotten van sterrenstelsels in het vroege universum.

Waterstofatomen absorberen gemakkelijk en emitteren snel ultraviolet licht, bekend als Lyman alpha-emissie, met een golflengte van 121,6 nanometer. Toen de eerste sterren gevormd werden, kwam een ​​deel van het geproduceerde licht overeen met deze golflengte. Omdat Lyman alpha light gemakkelijk in wisselwerking stond met waterstofatomen, kon het niet ver reizen voordat het gas het in willekeurige richtingen verspreidde.


Deze visualisatie laat zien hoe ultraviolet licht van de eerste sterren en sterrenstelsels het universum geleidelijk transformeerde. Waterstofatomen, ook wel neutrale waterstof genoemd, verstrooien gemakkelijk UV-licht, waardoor het niet ver van zijn bronnen kan reizen. Geleidelijk splitst intens UV-licht van sterren en sterrenstelsels de waterstofatomen uit elkaar, waardoor zich expansieve bellen van geïoniseerd gas vormen. Terwijl deze bellen groeiden en overlapten, trok de kosmische mist op. Astronomen noemen dit proces reionisatie. Hier zijn reeds geïoniseerde gebieden blauw en doorschijnend, gebieden die ionisatie ondergaan zijn rood en wit, en gebieden met neutraal gas zijn donker en ondoorzichtig.
Credits: M. Alvarez, R. Kaehler en T. Abel (2009)

"Intens licht van sterrenstelsels kan het omringende waterstofgas ioniseren en bellen vormen waardoor sterrenlicht vrij kan reizen," zei teamlid Vithal Tilvi, onderzoeker aan de Arizona State University in Tempe. “EGS77 heeft een grote luchtbel gevormd waardoor het licht zonder veel verzwakking naar de aarde kan reizen. Uiteindelijk groeiden dergelijke bellen rond alle sterrenstelsels en vulden ze de intergalactische ruimte, reioniseerden het universum en maakten de weg vrij voor licht om door de kosmos te reizen. ”

EGS77 werd ontdekt als onderdeel van het Cosmic Deep And Wide Narrowband (Cosmic DAWN) -onderzoek, waarvoor Rhoads als hoofdonderzoeker dient. Het team beeldde een klein gebied in het sterrenbeeld Boötes af met behulp van een op maat gemaakt filter op de extreem brede veld infraroodcamera (NEWFIRM) van de National Optical Astronomy Observatory, die was bevestigd aan de 4-meter Mayall-telescoop in Kitt Peak National Observatory in de buurt van Tucson, Arizona.


Inzet: Deze illustratie van de EGS77-melkweggroep toont de sterrenstelsels omringd door overlappende bellen van geïoniseerde waterstof. Men denkt dat ultraviolet sterlicht dergelijke bellen heeft gevormd door het blussen van waterstofatomen in geïoniseerd gas in het vroege universum, en geleidelijk overgaat van ondoorzichtig naar volledig transparant. Achtergrond: deze composiet van archivistische Hubble Space Telescope zichtbare en bijna-infraroodbeelden omvat de drie sterrenstelsels van EGS77 (groene cirkels).
Credits: NASA, ESA en V. Tilvi (ASU)

Omdat het universum zich uitbreidt, is Lyman alpha-licht van EGS77 uitgestrekt tijdens zijn reizen, dus astronomen detecteren het eigenlijk op nabij-infrarode golflengten. We kunnen deze sterrenstelsels nu niet in zichtbaar licht zien, omdat dat licht begon met kortere golflengten dan Lyman alpha en werd verspreid door de mist van waterstofatomen.

Om verre kandidaten te helpen selecteren, vergeleken de onderzoekers hun afbeeldingen met openbaar beschikbare gegevens van dezelfde regio genomen door NASA's ruimtetelescopen Hubble en Spitzer. Sterrenstelsels die helder op bijna-infraroodbeelden verschijnen, zijn als mogelijkheden getagd, terwijl sterrenstelsels die in zichtbaar licht verschijnen, zijn afgewezen als zijnde te dichtbij.

Het team bevestigde de afstanden tot de sterrenstelsels van EGS77 met behulp van de Multi-Object Spectrometer for Infra-Red Exploration (MOSFIRE) op de Keck I-telescoop in het WM Keck Observatorium op Maunakea, Hawaii. De drie sterrenstelsels tonen alle Lyman alpha-emissielijnen op iets verschillende golflengten, die iets verschillende afstanden weerspiegelen. De scheiding tussen aangrenzende sterrenstelsels is ongeveer 2,3 miljoen lichtjaar, of iets kleiner dan de afstand tussen het Andromeda-sterrenstelsel en onze eigen Melkweg.

Een paper met een beschrijving van de bevindingen, geleid door Tilvi, is ingediend bij The Astrophysical Journal.

"Hoewel dit de eerste melkweggroep is die is geïdentificeerd als verantwoordelijk voor kosmische reionisatie, zullen toekomstige NASA-missies ons veel meer vertellen," zei co-auteur Sangeeta Malhotra bij Goddard. "De aanstaande James Webb Space Telescope is gevoelig voor Lyman alpha-emissie van zelfs zwakkere sterrenstelsels op deze afstanden en kan meer sterrenstelsels vinden binnen EGS77."

Astronomen verwachten dat soortgelijke reionisatiebellen uit dit tijdperk zeldzaam en moeilijk te vinden zullen zijn. De geplande Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) van NASA kan mogelijk aanvullende voorbeelden ontdekken, waardoor deze belangrijke overgang in de kosmische geschiedenis verder wordt belicht.

Bannerafbeelding: Deze compositie van archivistische Hubble Space Telescope zichtbare en bijna-infraroodbeelden toont een deel van de Extended Groth Strip, een goed bestudeerd gebied tussen de sterrenbeelden Ursa Major en Boötes. De drie sterrenstelsels van de EGS77-melkweggroep, weergegeven in de groene cirkels, liggen op een roodverschuiving van 7,7, wat betekent dat we de sterrenstelsels zien zoals ze waren toen het universum slechts 680 miljoen jaar oud was. Het beeld is 3,2 boogminuten breed. Credit: NASA, ESA en V. Tilvi (ASU)

https://www.nasa.gov/feature/goddard/20 ... c-makeover