Fast zu Beginn der Zeit war das Universum in Dunkelheit gehüllt. Dann produzierten frühe Galaxien helle, heiße Sterne, die den intergalaktischen Raum mit brillantem Licht durch kleine Kanäle leckten und das Universum transparent machten.
Das ist die Schlussfolgerung aus wunderschönen neuen "Spiegel" -Bildern einer fernen Galaxie, die als Sunburst Arc bekannt ist. Als das Universum noch ein Baby war, bestand es aus heißen, aber schnell abkühlenden Partikeln. Sobald sich das Universum ausreichend abgekühlt hatte, bildeten Protonen und Elektronen zusammen neutralen Wasserstoff, der das Universum in der Dunkelheit bedeckte und es laut Haystack Observatory des MIT im elektromagnetischen Spektrum nicht mehr beobachtbar machte. Während dieser als dunkles Zeitalter bekannten Zeit wurde jegliche emittierte Strahlung vom Wasserstoffgas absorbiert.
Dann, ungefähr eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, während der "Epoche der Reionisierung", ionisierte ein massiver Energiestoß das Gas, stieß Elektronen von den Wasserstoffatomen ab und erzeugte Plasma. Diese Ionisierung geschah dank energetischem ultraviolettem Licht, das "höchstwahrscheinlich von sehr jungen, sehr hellen, sehr heißen und auch sehr kurzlebigen Sternen in den ersten Galaxien stammte", sagte der Postautor Thøger Emil Rivera-Thorsen, Postdoktorand an der Universität von Oslo in Norwegen. Es ist jedoch unklar, wie genau dieses Ionisationsereignis passiert ist.
Um das herauszufinden, wandten sich die Forscher einer Galaxie namens "Sunburst Arc" zu, die etwa 11 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt (obwohl es schwierig ist, genau zu wissen, wie weit es in einem expandierenden Universum ist). Der Sunburst Arc ist nicht ganz alt genug, um eine der frühen Galaxien zu sein, die das Universum reionisiert haben, aber alt genug, um den Forschern etwas über den Prozess beizubringen, sagte Rivera-Thorsen.
In einer früheren Studie haben Rivera-Thorsen und sein Team Lichtsignale vom Sunburst Arc untersucht. Einige Hinweise deuteten darauf hin, dass ionisierendes Licht aus diesen frühen Galaxien durch einige enge Kanäle oder Löcher in einem ansonsten undurchsichtigen Leichentuch, das die Galaxie bedeckt, entweicht. "Aber wir können nicht sagen, dass wir dies gefunden haben, bis wir es tatsächlich direkt beobachtet haben", sagte Rivera-Thorsen gegenüber Live Science.
Also schlugen die Forscher vor, diese Löcher mit dem Hubble-Weltraumteleskop zu entdecken, und "siehe da, es hat funktioniert", sagte Rivera-Thorsen. Der Sunburst-Bogen ist so positioniert, dass der Hubble ihn leicht sehen kann. Ein dazwischenliegender Galaxienhaufen wirkt wie ein kosmisches Mikroskop und biegt und vergrößert das Licht des Sunburst-Bogens - das sonst zu schwach wäre, um es zu sehen -, sodass der Hubble es in einer Reihe von Bildern aufnehmen kann. Dieser Effekt, der als "Gravitationslinsen" bezeichnet wird, wurde von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt und ist in diesem Fall besonders stark, was zu 12 doppelten Bildern der Galaxie führt.
Einige dieser Bilder wurden im nichtionisierenden Spektrum des sichtbaren Lichts aufgenommen, andere im Spektrum des ionisierenden Lichts. Für das ionisierende Licht "ist im Grunde alles, was Sie sehen können, ein kleiner Punkt und sonst gibt es nichts", sagte er. "Ich denke, das war eine sehr schöne Bestätigung unserer Hypothese - dass dies wie ein Loch in einer ansonsten völlig undurchsichtigen, gasbedeckten Galaxie ist."
Um diesen Effekt zu erkennen, mussten mehrere Faktoren in Einklang gebracht werden. "Wir hatten unglaublich viel Glück, dieses Ding zu finden", sagte Rivera-Thorsen. Zum Beispiel haben die Hubble-Bilder alle "saftigen Teile" der Galaxie erfasst, einschließlich der Orte, an denen das ionisierende Licht entweicht. Es ist nicht klar, warum oder wie sich diese engen Kanäle überhaupt gebildet haben.
In den moderneren Galaxien "sehen wir nicht wirklich viel von dieser ionisierenden Strahlung, wir sehen hier und da ein wenig", fügte er hinzu. "Etwas an den physikalischen Eigenschaften dieser Galaxien muss sich also zwischen der Zeit von etwa 1 Milliarde Jahren nach dem Urknall, als das Universum reionisiert wurde, ziemlich dramatisch verändert haben." In zukünftigen Arbeiten wollen Rivera-Thorsen und sein Team herausfinden, wie sich Galaxien seit dem Urknall verändert haben.
"Die Beweise für das Entweichen ionisierender Strahlung sind überzeugend", sagte Yuri Izotov, ein Astronom des Hauptastronomischen Observatoriums in der Ukraine, der nicht Teil der Studie war. Ihre Ergebnisse sind wichtig, um zu verstehen, wie Licht aus sternbildenden Galaxien austritt, und ihre Interpretation, dass das Licht durch Löcher in der Galaxie austritt, "sieht vernünftig aus", sagte Izotov gegenüber Live Science.
Brian Keating, Professor für Physik an der University of California in San Diego, der nicht an der Arbeit beteiligt war, stimmt dem zu. "Die Quellen, aus denen die ersten ionisierenden Photonen des Universums entstanden sind, sind seit langem rätselhaft", sagte Keating gegenüber Live Science. "Ihre Arbeit liefert vielversprechende neue Einblicke in die unergründlichen Objekte, von denen angenommen wird, dass sie die Haupttreiber der Epoche der Reionisierung sind."
Die Ergebnisse wurden am 7. November in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
