Po Wielkim Wybuchu wszechświat rozszerzył się i ochłodził na tyle, że mogły się uformować atomy wodoru. Wobec braku światła z pierwszych gwiazd i galaktyk wszechświat wkroczył w okres znany jako kosmiczne ciemne wieki.
Pierwsze gwiazdy i galaktyki pojawiły się kilkaset milionów lat później i zaczęły wypalać mgłę wodorową pozostałą po Wielkim Wybuchu, czyniąc Wszechświat przezroczystym, takim jak jest dzisiaj.
Naukowcy pod kierunkiem astrofizyków z UCLA potwierdzili istnienie odległej, słabej galaktyki, typowej dla tych, których światło przebija się przez atomy wodoru; odkrycie powinno pomóc im zrozumieć, jak zakończyły się ciemne wieki kosmiczne.
Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez astrofizyków z UCLA potwierdził istnienie najsłabszej galaktyki, jaką kiedykolwiek widziano we wczesnym wszechświecie. Galaktyka, nazwana JD1, jest jedną z najodleglejszych zidentyfikowanych do tej pory galaktyk i jest typową dla rodzaju galaktyk, które przepaliły się przez mgłę atomów wodoru pozostałych po Wielkim Wybuchu, przepuszczając światło przez wszechświat i kształtując go w co istnieje dzisiaj.
Odkrycia dokonano za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, a odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
Pierwszy miliard lat życia wszechświata był kluczowym okresem w jego ewolucji. Po Wielkim Wybuchu, około 13,8 miliarda lat temu, Wszechświat rozszerzył się i ochłodził wystarczająco, aby mogły powstać atomy wodoru. Atomy wodoru pochłaniają fotony ultrafioletowe z młodych gwiazd; jednak do czasu narodzin pierwszych gwiazd i galaktyk wszechświat stał się ciemny i wkroczył w okres znany jako kosmiczne ciemne wieki. Pojawienie się pierwszych gwiazd i galaktyk kilkaset milionów lat później skąpało wszechświat w energetycznym świetle ultrafioletowym, które zaczęło palić lub jonizować mgłę wodorową. To z kolei umożliwiło fotonom podróżowanie w przestrzeni, czyniąc wszechświat przezroczystym.
Określenie typów galaktyk, które dominowały w tamtej epoce – zwanej epoką rejonizacji – jest dziś głównym celem astronomii, ale do czasu opracowania teleskopu Webba naukowcom brakowało czułych instrumentów na podczerwień wymaganych do badania pierwszej generacji galaktyk.
„Większość galaktyk znalezionych do tej pory za pomocą JWST to jasne galaktyki, które są rzadkie i nie uważa się ich za szczególnie reprezentatywne dla młodych galaktyk, które zamieszkiwały wczesny wszechświat” – powiedział Guido Roberts-Borsani, badacz ze stopniem doktora z UCLA i pierwszy autor badania. „Jako tacy, choć ważni, nie uważa się ich za głównych agentów, którzy spalili całą tę mgłę wodorową.
„Z drugiej strony ultrasłabe galaktyki, takie jak JD1, są znacznie liczniejsze, dlatego uważamy, że są bardziej reprezentatywne dla galaktyk, które przeprowadziły proces rejonizacji, pozwalając światłu ultrafioletowemu podróżować bez przeszkód w przestrzeni i czasie”.
JD1 jest tak słaba i tak odległa, że badanie jej bez potężnego teleskopu i pomocy natury jest trudne. JD1 znajduje się za dużą gromadą pobliskich galaktyk, zwaną Abell 2744, której połączona siła grawitacyjna zakrzywia i wzmacnia światło z JD1, sprawiając, że wydaje się ona większa i 13 razy jaśniejsza niż w innym przypadku. Efekt, znany jako soczewkowanie grawitacyjne, jest podobny do tego, jak szkło powiększające zniekształca i wzmacnia światło w swoim polu widzenia; bez soczewkowania grawitacyjnego JD1 prawdopodobnie zostałby pominięty.
Naukowcy wykorzystali instrument spektrografu bliskiej podczerwieni Teleskopu Webba, NIRSpec, do uzyskania widma światła podczerwonego galaktyki, co pozwoliło im określić jej dokładny wiek i odległość od Ziemi, a także liczbę gwiazd oraz ilość pyłu i ciężkich elementów, które uformowało się w ciągu jego stosunkowo krótkiego życia.
Połączenie powiększenia grawitacyjnego galaktyki i nowych zdjęć z innego instrumentu pracującego w bliskiej podczerwieni Teleskopu Webba, NIRCam, umożliwiło również zespołowi zbadanie struktury galaktyki z niespotykaną szczegółowością i rozdzielczością, ujawniając trzy główne wydłużone skupiska pyłu i gaz, z którego powstają gwiazdy. Zespół wykorzystał nowe dane do prześledzenia światła JD1 z powrotem do jego pierwotnego źródła i kształtu, ujawniając zwartą galaktykę zaledwie o ułamek wielkości starszych galaktyk, takich jak Droga Mleczna, która ma 13,6 miliarda lat.
Ponieważ światło potrzebuje czasu, aby dotrzeć na Ziemię, JD1 widziany jest takim, jakim był około 13,3 miliarda lat temu, kiedy Wszechświat miał zaledwie około 4% obecnego wieku.
„Zaledwie rok temu, zanim teleskop Webba został włączony, nie mogliśmy nawet marzyć o potwierdzeniu tak słabej galaktyki” – powiedział Tommaso Treu, profesor fizyki i astronomii z UCLA oraz drugi autor badania. „Połączenie JWST i powiększającej mocy soczewkowania grawitacyjnego to rewolucja. Przepisujemy książkę o tym, jak galaktyki powstały i ewoluowały bezpośrednio po Wielkim Wybuchu”.