Konečně víme, co rozsvítilo světla na úsvitu času

Konečně víme, co přineslo světlo do temné a beztvaré prázdnoty raného vesmíru. Podle údajů z Hubbleova a James Webbova vesmírného dalekohledu byly původcem volně letících fotonů v raném vesmírném úsvitu malé trpasličí galaxie, které vzplanuly k životu a pročistily mlhu kalného vodíku, která vyplňovala mezigalaktický prostor. V únoru byla zveřejněna nová práce o tomto výzkumu.

„Tento objev odhaluje klíčovou roli, kterou hrály ultra slabé galaxie v raném vývoji vesmíru,“ uvedla astrofyzička Iryna Chemerynska z pařížského Astrofyzikálního ústavu. „Produkují ionizující fotony, které během kosmické reionizace přeměňují neutrální vodík na ionizované plazma. To podtrhuje důležitost pochopení podílu galaxií s nízkou hmotností na utváření historie vesmíru.“

Na počátku vesmíru, během několika minut po velkém třesku, byl prostor naplněn horkou, hustou mlhou ionizovaného plazmatu. I to málo světla, které tam bylo, by touto mlhou neproniklo; fotony by se jednoduše rozptýlily od volných elektronů, které se vznášely kolem, a vesmír by se tak stal temným. Jak se vesmír ochlazoval, asi po 300 000 letech se protony a elektrony začaly spojovat a vytvářet neutrální plynný vodík (a trochu helia). Tímto neutrálním prostředím mohla pronikat většina vlnových délek světla, ale zdrojů světla, které by ho vytvářely, bylo velmi málo. Z tohoto vodíku a helia se však zrodily první hvězdy.

Tyto první hvězdy vydávaly záření, které bylo dostatečně silné na to, aby odtrhlo elektrony od jejich jader a reionizovalo plyn. V té době se však vesmír již natolik rozšířil, že plyn byl rozptýlený a nemohl zabránit světlu, aby vyzařovalo ven. Přibližně 1 miliardu let po velkém třesku, na konci období známého jako kosmický úsvit, byl vesmír zcela reionizován. Ta-da! Světlo se rozsvítilo.

Ale protože je v kosmickém svítání tolik temnoty a protože je v čase a prostoru tak temné a vzdálené, měli jsme problém vidět, co tam je. Vědci se domnívali, že zdroje zodpovědné za většinu zjasnění musely být silné – například obrovské černé díry, jejichž akrece produkuje planoucí světlo, a velké galaxie v procesu tvorby hvězd (mladé hvězdy produkují velké množství UV záření).

JWST byl zčásti navržen tak, aby nahlédl do vesmírného úsvitu a pokusil se zjistit, co se v něm skrývá. Byl velmi úspěšný a odhalil nejrůznější překvapení o tomto klíčovém období vzniku našeho vesmíru. Pozorování dalekohledu nyní překvapivě naznačují, že klíčovým hráčem v reionizaci jsou trpasličí galaxie.

Mezinárodní tým vedený astrofyzikem Hakimem Atekem z Institut d’Astrophysique de Paris se obrátil na data JWST o kupě galaxií Abell 2744, která byla podpořena daty z Hubbla. Hvězdokupa Abell 2744 je tak hustá, že se kolem ní deformuje časoprostor a vytváří vesmírnou čočku; každé vzdálené světlo, které k nám tímto časoprostorem putuje, se zvětšuje. To vědcům umožnilo pozorovat malé trpasličí galaxie v blízkosti kosmického úsvitu.

Poté pomocí JWST získali detailní spektra těchto malých galaxií. Jejich analýza odhalila, že tyto trpasličí galaxie jsou nejen nejpočetnějším typem galaxií v raném vesmíru, ale že jsou také mnohem jasnější, než se očekávalo. Výzkum týmu ve skutečnosti ukazuje, že trpasličí galaxie převyšují počet velkých galaxií v poměru 100:1 a jejich společný výkon je čtyřikrát vyšší než ionizující záření, které se obvykle předpokládá u větších galaxií.

„Tyto vesmírné elektrárny společně vyzařují více než dost energie,“ řekl Atek. „Navzdory své nepatrné velikosti jsou tyto galaxie s malou hmotností plodnými producenty energetického záření a jejich množství v tomto období je tak značné, že jejich kolektivní vliv může změnit stav celého vesmíru.“

Je to zatím nejlepší důkaz o síle, která stojí za reionizací, ale je třeba udělat ještě další práci. Vědci se podívali na jeden malý kousek oblohy; musí se ujistit, že jejich vzorek není jen anomálním shlukem trpasličích galaxií, ale reprezentativním vzorkem celé populace v kosmickém svitu.

Mají v úmyslu studovat další oblasti oblohy s kosmickou čočkou, aby získali širší vzorek raných galaktických populací. Ale už jen na tomto jediném vzorku jsou výsledky neuvěřitelně vzrušující. Vědci se honí za odpověďmi na otázku reionizace tak dlouho, jak dlouho o ní víme. Jsme na pokraji toho, abychom konečně rozptýlili mlhu.

„S JWST jsme nyní vstoupili na neprobádané území,“ řekl astrofyzik Themiya Nanayakkara z australské Swinburne University of Technology. „Tato práce otevírá další vzrušující otázky, které potřebujeme zodpovědět v našem úsilí o zmapování evoluční historie našich počátků.“

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: swinburne.edu.au, nature.com