Astronomii au folosit Telescopul spațial James Webb (JWST) și un efect prezis de Albert Einstein Cu peste 100 de ani în urmă, am descoperit că micile galaxii din cosmosul timpuriu au avut un impact masiv, modelând întregul univers când acesta avea mai puțin de 1 miliard de ani.
Echipa internațională a descoperit că galaxiile, care seamănă cu galaxiile pitice care există astăzi, au jucat un rol vital în timpul unei etape cruciale a evoluției cosmice care a avut loc între 500 și 900 de milioane de ani după Big Bang. De asemenea, aceste galaxii mici au depășit cu mult galaxiile mai mari din universul infantil, spun oamenii de știință, adăugând că este probabil că tărâmurile au furnizat cea mai mare parte a energiei necesare unui proces numit reionizare cosmică. Reionizarea cosmică a fost esențială pentru creșterea și progresul universului.
„Vorbim cu adevărat despre transformarea globală a întregului univers”, a declarat Hakim Atek, autor principal al cercetării și astronom la Institut d’Astrophysique de Paris, site-ului partener al Live Science Space.com. „Surpriza principală este că aceste galaxii mici și slabe aveau atât de multă putere, încât radiațiile lor cumulate ar putea transforma întregul univers”.
Forțe motrice mici din spatele schimbărilor majore
Înainte de aproximativ 380 de milioane de ani de la producerea Big Bang-ului, în timpul unei perioade numite epoca recombinării, universul vechi de acum 13,8 miliarde de ani fusese opac și întunecat. Acest lucru se datorează faptului că, în starea sa densă și ultra-fierbintă, electronii liberi au sărit la nesfârșit în jurul particulelor de lumină, numite fotoni.
Legate de: După 2 ani în spațiu, telescopul James Webb a rupt cosmologia. Se poate repara?
Mai târziu, în timpul epocii recombinării, universul s-a extins și s-a răcit suficient pentru a permite electronilor să se lege de protoni și să creeze primii atomi de hidrogen, cel mai ușor și mai simplu element din cosmos. Această dispariție a electronilor liberi a însemnat că fotonii au fost brusc liberi să călătorească și, ca urmare, „epoca întunecată” a universului a luat sfârșit. Cosmosul a devenit brusc transparent pentru lumină. Această „primă lumină” poate fi văzută astăzi sub forma unei fosile cosmice care umple uniform universul numită „fondul cosmic cu microunde” sau „CMB”.
Deoarece electronii și protonii au sarcini electrice egale, dar opuse, acești primi atomi au fost neutri din punct de vedere electric, dar vor suferi în curând o altă transformare.
După 400 de milioane de ani, s-au format primele stele și galaxii – apoi, în timpul erei reionizării, hidrogenul neutru, elementul predominant în univers, a fost transformat în particule încărcate. Aceste particule se numesc ioni. Ionizarea este cauzată de electronii care absorb fotonii și cresc energia acestora, eliberându-se de atomi. Până acum, oamenii de știință nu erau siguri de unde provine această radiație ionizantă.
Se numărau și suspecții pentru sursa de radiații din spatele reionizării găuri negre supermasive hrănindu-se cu gazul de pe discurile de acreție care le înconjoară – determinând aceste regiuni să ejecteze radiații de înaltă energie – galaxii mari cu mase mai mari de 1 miliard de sori și galaxii mai mici cu mase mai mici decât aceasta.
„Dezbatem această problemă de zeci de ani, de fapt, fie că este vorba despre găuri negre masive sau galaxii masive. Există chiar explicații exotice, cum ar fi anihilarea materiei întunecate care creează radiații ionizante”, a spus Atek, „Unul dintre cei mai buni candidați a fost galaxiile. iar acum am arătat că contribuția galaxiilor mici este uriașă”.
„Nu credeam că galaxiile mici vor fi atât de eficiente în producerea de radiații ionizante. Este de patru ori mai mare decât ne așteptam, chiar și pentru galaxii de dimensiuni normale”.
Identificarea galaxiilor pitice mai mici ca surse principale ale acestei radiații ionizante a fost o provocare pentru o lungă perioadă de timp, din cauza cât de slabe sunt.
„A fost greu să obținem acest tip de informații și aceste observații, dar JWST are capacități spectroscopice în infraroșu. De fapt, unul dintre motivele pentru care am construit JWST este să înțelegem ce s-a întâmplat în epoca reionizării”, a spus Arek.
Chiar și cu puterea impresionantă de observare în infraroșu a JWST, reperarea acestor galaxii pitice nu ar fi fost posibilă fără ajutorul lui Albert Einstein – mai precis, fără ajutorul teoriei sale a relativității generale din 1915 și a unui efect asupra luminii pe care îl prezice.
O mână de ajutor din partea lui Albert Einstein
Relativitatea generală sugerează că toate obiectele de masă deformează însăși țesutul spațiului și al timpului, care sunt, de fapt, unite ca o singură entitate numită „spațiu-timp”. Percepția noastră asupra gravitației, spune teoria, apare ca urmare a acelei curburi. Cu cât masa unui obiect este mai mare, cu atât curbura spațiu-timpului este mai „extremă”. Astfel, cu cât efectele gravitaționale sunt mai puternice.
Această curbură nu numai că le spune planetelor cum să se miște pe orbite în jurul stelelor și, la rândul lor, le spune acelor corpuri stelare cum să orbiteze găurile negre supermasive din centrele galaxiilor lor natale, dar schimbă și căile luminii care vin de la stele.
Lumina dintr-o sursă de fundal poate lua diferite căi în jurul unui obiect din prim-plan pe măsură ce se deplasează către Pământ și, cu cât această cale este mai aproape de un obiect de masă mare, cu atât devine mai „îndoită”. Astfel, lumina de la același obiect poate ajunge pe Pământ în momente diferite, ca urmare a obiectului din prim-plan, sau „lentilă”.
Această lentilă poate schimba locația obiectului de fundal pe cer sau poate face ca obiectul de fundal să apară în mai multe locuri în aceeași imagine a cerului. Alteori, lumina de la obiectul de fundal este amplificată și astfel acel obiect este mărit pe cer.
Acest efect este cunoscut sub numele de „lentilă gravitațională”, iar JWST l-a folosit cu mare efect pentru a observa galaxii antice în apropierea zorilor timpului, pe care altfel nu ar fi avut nicio șansă să le vadă.
Pentru a observa galaxiile pitice îndepărtate și timpurii recent studiate și pentru a analiza lumina pe care o emit, JWST a folosit un grup de galaxii numit Abell 2744 ca lentilă gravitațională. „Chiar și pentru JWST, aceste galaxii mici sunt foarte slabe, așa că a trebuit să adăugăm lentile gravitaționale pentru a amplifica fluxul de la ele”, a spus Atek.
Cu misterul reionizării potențial rezolvat, echipa își propune acum să extindă acest studiu la o scară mai mare cu un alt proiect JWST numit GLIMPSE. Cercetătorii vor încerca mai întâi să confirme că locația specială studiată în această cercetare este reprezentativă pentru distribuția medie a galaxiilor din univers.
Apoi, dincolo de studierea procesului de reionizare, Atek și colegii își vor propune să înțeleagă mai bine formarea primelor galaxii, care, pe parcursul a 12 miliarde de ani, s-au transformat în galaxii actuale.
„Până acum, am studiat cu adevărat galaxii luminoase și masive, dar ele nu sunt foarte tipice în universul timpuriu”, a concluzionat Atek. „Deci, dacă vrem să înțelegem formarea primelor galaxii, trebuie cu adevărat să înțelegem formarea galaxiilor mici, de masă mică. Și asta este ceea ce vom încerca să facem cu acest program viitor.”
Cercetarea echipei a fost publicată miercuri (28 februarie) în jurnal Natură.
Postat inițial pe Space.com.