Innan stjärnorna och galaxerna bildades bestod universum till största delen av en kall gas av neutrala atomer. Matthew Hayes leder ett projekt som ska visa hur universum omvandlades när de första galaxerna började sprida en värmande joniserande strålning. Projektet bygger på observationer från rymdteleskopet James Webb.
Projektanslag 2024
Rewriting Cosmic Reionization with Next-Generation Early Universe Observations
Huvudsökande:
Matthew Hayes, docent i astrofysik
Medsökande:
Stockholms universitet
Angela Adamo
Garrelt Mellema
Göran Östlin
Beviljat anslag:
25 000 000 kronor under fem år
Att vårt universum inleddes med Big Bang för cirka 14 miljarder år sedan är en etablerad sanning. Men fortfarande är mycket osäkert när det gäller hur universum omvandlades under de första femhundra miljoner åren. Tiden då stjärnorna bildades och formade dagens galaxer.
Till en början bestod universum av en het plasma av protoner, elektroner och fotoner. Efter ungefär 400 000 år hade universum kylts ned nog mycket för att övergå till en neutral gas av mestadels väteatomer.
– Tiden innan de första galaxerna och stjärnorna tog form kallar vi för ”den mörka tidsåldern” då universum var helt svart och ganska kallt. Inga stjärnor hade ännu bildats – det fanns inga astrofysiska objekt som spred något ljus, säger Matthew Hayes, vid institutionen för astronomi vid Stockholms universitet.
När de första stjärnorna bildades, cirka 200 miljoner år senare, skapades också stora mängder joniserande ultraviolett strålning. Strålningen slog sönder de stabila väteatomerna i gasen, och sedan dess har vi haft ett joniserat universum med fria elektroner.
– Processen där universum gick från att vara kallt och neutralt till varmt och joniserat kallar vi återjoniseringen. Vårt projekt handlar om att förstå detta skeende, säger Matthew Hayes.
Projektet involverar fyra forskare – alla samlade i en och samma korridor vid AlbaNova universitetscentrum.
Banbrytande observationer
Vid vårt besök tar Matthew Hayes med oss upp till takets observatorium. Trots en strålande höstsol så biter kylan i kinderna i den oisolerade kupolbyggnaden. Bara en månad tidigare installerades här ett helt nytt teleskop, men för projektet räcker det inte långt. I stället är det rymdteleskopet James Webb som i huvudsak används för att kunna studera det tidiga universum.
Webb-teleskopet ligger i en bana cirka 1,5 miljoner kilometer från jorden och är särskilt känsligt för längre våglängder av infrarött ljus.
– Observationerna från James Webb är fullständigt banbrytande. Samtidigt använder vi också Hubble väldigt mycket. Men Webb-teleskopet kan arbeta vid våglängder som Hubble inte klarar av.
I projektet används även Very Large Telescope i Chile som även det kan fånga upp ljus från universums första tid. Genom att bryta upp ljuset från de första stjärnorna i spektrum av olika färger kan forskarna identifiera vilka ämnen som fanns i gasen som omgav varje stjärna. Hayes visar ett diagram på sin skärm där han kan peka ut en rad grundämnen som väte, syre, neon och kol.
– Av detta kan vi lära oss hur många tunga element som finns, hur heta stjärnorna måste vara, och hur tät gasen var. Det hjälper oss att bättre förstå galaxernas roll under själva återjoniseringen av universum. Mer specifikt ger det oss information om galaxernas joniserande kraft, och en ”budget” för vilken strålning som krävs för joniseringen av universum.
Observationerna används för att skapa beräkningsmodeller som ligger till grund för datorsimuleringar av det tidiga universum. Liknande metoder har använts tidigare, men observationerna från James Webb-rymdteleskopet har förändrat synen på de första galaxerna.
Genom att kartlägga spridningen av joniserande strålning är det också möjligt att ta hänsyn till påverkan från galaxer av olika storlek. Uppkomsten av joniserande strålning från de första galaxerna kan ha fungerat som en broms för mindre galaxer och ”släckt” deras tidiga stjärnbildning.
– Galaxerna producerade så mycket strålning att det kokade bort gasen i omgivningen och förhindrade att riktigt små galaxer formades. Detta ger oss en gräns för hur små galaxer kunde bli, och kan vara något vi ser i dagens universum i form av de mindre galaxer som finns kvar, säger Matthew Hayes.
Gravitationen förstärker
En viktig del av projektet är att fokusera på de observationer som görs tack vare det fenomen som kallas gravitationslinsning. Ett naturligt fenomen där gravitationen från en himlakropp böjer de ljusstrålarna som passerar. Det innebär att astrofysikerna även kan se det som gömmer sig bakom andra stjärnor och galaxer. Samtidigt förstärker gravitationslinser ljuset, vilket gör det möjligt att se enskilda komponenter i små galaxer som annars inte skulle vara synliga.
–I projektet riktar vi in oss specifikt på dessa linsade galaxer, även om de bara utgör en väldigt liten del av alla de galaxer vi observerar. Den överväldigande majoriteten av galaxerna är inte linsade men de få som är det fungerar som viktiga fönster till det tidiga universum.
Slutligen ska lärdomarna från observationer och beräkningar kombineras för att bilda kunskap som uppdaterar vårt vetande om det tidiga universums bildande. Simuleringarna kan även ligga till grund för att förutsäga vad nästa generation rymdteleskop kan lära oss.
– Genom att kasta ljus över hur stjärnor och galaxer joniserade sin omgivning, tillsammans med de svarta hål som redan fanns, kan vi bättre förstå vårt universum och vårt ursprung, säger Matthew Hayes.
Text Magnus Trogen Pahlén
Foto Magnus Bergström
