Vill förstå hur universum återjoniserades

Matthew Hayes studerar en viktig epok i universums historia, återjoniseringen. Han leder ett stort internationellt projekt där ultraviolett strålning och teleskopbilder på 350 tidiga galaxer analyseras. Målet är att förstå processen när universum gick från att vara neutralt till det joniserade universum vi har än i dag.

Matthew Hayes

Docent i astrofysik

Wallenberg Academy Fellow 2014

Lärosäte:
Stockholms universitet

Forskningsområde:
Kartlägger återjoniseringen i tidiga universum via observationer av Lyman Alfa-strålning.

I det universum som går att observera finns 100 miljarder galaxer. Wallenberg Academy Fellow Matthew Hayes vill undersöka en betydelsefull gasförändring i universums barndom, återjonisering. Han har därför tagit initiativ till ett internationellt projekt där 350 välkända galaxer kommer studeras.  

De använder sig av teleskopbilder från Very Large Telescope, VLT, i Atacamaöknen i norra Chile, berättar Matthew Hayes.

– Projektet är stort, med 130 observationstimmar på det största teleskopet och forskare från åtta länder som samarbetar. Epoken när återjoniseringen skedde är jätteintressant. Det är den sista fasförändringen i universum. Hur den gick till vet vi inte så mycket om, och vi tycker det är viktigt att öka förståelsen för den processen.

Matthew Hayes forskargrupp leder observationsdelen av projektet.

– Vi är duktiga på att förstå hur vi kan använda teleskopens resurser, mäta och analysera bilder och spektra. Men för att förstå hela processen måste vi även använda mer komplicerade dataobservationer och analyser. Där samarbetar vi med kollegor i Danmark, Tyskland och USA.

Joniserade bubblor

Tiden efter Big Bang, för 13,8 miljarder år sedan, antas materian ha varit joniserad, det vill säga den bestod av elektroner och atomkärnor. Efter några hundra tusen år då universum expanderat och kylts ned tillräckligt bildades en gas av neutrala atomer, framförallt väteatomer. Många miljoner år senare började stjärnor och galaxer skapas av vätgas.

– Universum var då neutralt, men när de första stjärnorna och galaxerna hade skapats så var hela universum joniserat igen, säger Matthew Hayes.

Jonisering innebär kortfattat att elektroner rycks bort från neutrala atomer, som förvandlas till positivt laddade joner. I universum joniserades gasen mellan galaxerna av energirik ultraviolett strålning från de tidiga stjärnorna, vilket skapade förutsättningar för ljus att spridas.  

– En teori är att det bildades joniserade bubblor i materien mellan galaxerna och att dessa bubblor med tiden blev allt större.

För att illustrera processen ritar Matthew Hayes en graf med bubblor i olika storlekar på sin whiteboard. X-axeln är universums tidsaxel och y-axeln är storleken på joniserade bubblor.

– Det vi vill försöka göra är att undersöka insidan av de joniserade bubblorna. Men det är komplicerat för vi kan inte se gasfaserna direkt, utan måste använda olika teleskopobservationer och mätmetoder för att försöka förstå hur det gick till.

Mäter långväga strålning

En metod som Matthew Hayes använder är att mäta Lyman alfa-strålning, ultraviolett ljus med en specifik frekvens och form. Strålningen går förbi atmosfären och kan observeras av markteleskopen i Chile, förklarar han.

– De senaste 10 åren har det gjorts stora framsteg i användningen av Lyman alfa-strålning inom astronomin. Det finns många frågor man kan besvara genom att mäta den, och återjonisering är en av de största.

Det är inte första gången Matthew Hayes använder sig av Lyman alfa-strålning i sina studier. I början av 2021 fick han Strömer-Ferrnerska belöningen av Kungliga Vetenskapsakademin för sitt banbrytande arbete med att öka förståelsen för Lyman alfa-strålning från galaxer och gasen som de är inbäddade i.

Galaxerna som studeras i projektet blev till under en period när universum var ungt, 800 miljoner år till ungefär 2 miljarder år gammalt.

– Vi vill se hur emissionslinjen hos Lyman alfa-strålningen ändrar sig över det tidsspannet. Från formen av emissionslinjen kan vi till exempel säga hur stora de joniserande bubblorna är i olika skeden av processen. Men vi behöver också göra avancerade datorsimuleringar för att förstå hur det fungerar.

”Det känns väldigt bra att få det här fellowanslaget, det ger mig en säkerhet i forskningen. Tidigare har jag arbetat mycket med lokala galaxer. Men jag vill inte fastna i ett spår. Tittar vi längre bort i universum så kan vi studera många fler galaxer samtidigt och göra mer statistik, och det är roligt tycker jag.”

Svåra analyser

Området där de 350 galaxerna finns är välkänt bland astronomer och ligger i rymdteleskopet Hubbles observationsfält. Det gör att Matthew Hayes och hans kollegor utöver observationerna av VLT i Chile även kan dra nytta av Hubbles bildkatalog. Om några år hoppas de även kunna använda observationer från nästa generation rymdteleskop, James Webb-teleskopet som ska ersätta Hubble.

Matthew Hayes växte upp i England där han studerade fysik. Till institutionen för astronomi vid Stockholms universitet kom han första gången som doktorand 2002. Efter att ha disputerat i astrofysik forskade han några år i Schweiz och Frankrike innan han flyttade tillbaka till Sverige och byggde upp sin forskargrupp.

Att hitta medarbetare med rätt kompetens är en stor utmaning för att lyckas med projektet, konstaterar Matthew Hayes.

– En av de saker vi kommer jobba med är observationen av en galax längst bort i universum. Observationen ska vara på 80 timmar, på en enda galax. Analyserna är svåra att göra så vi behöver ha väldigt erfarna dataanalytiker för att kunna dra ut relevanta data ur bilderna och mäta det vi vill.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström