Astronomi su pronašli rijedak trag iz vremena kada se mladi svemir mijenjao iz temelja. Galaksija LCEz4-M1, viđena samo 1,4 milijarde godina nakon Velikog praska, možda pokazuje kako je snažno ultraljubičasto zračenje uspijevalo pobjeći iz prvih galaksija i preoblikovati golema prostranstva vodika između njih.
U ranom svemiru nije bilo dovoljno stvoriti svjetlost. Ona je morala pronaći izlaz
Jedno od velikih pitanja rane kozmologije glasi jednostavno: kako je svemir postao proziran za svjetlost kakvu danas promatramo?
Nakon ranih faza svemira, međugalaktički prostor bio je ispunjen neutralnim vodikom. Tijekom razdoblja koje astronomi nazivaju kozmičkom reionizacijom, snažno ultraljubičasto zračenje odvajalo je elektrone od atoma vodika i pretvaralo taj plin u ionizirano stanje. Prema podacima iz kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja i promatranjima kvazara, taj se proces odvijao otprilike između 600 milijuna i jedne milijarde godina nakon Velikog praska.
Astronomi već dugo smatraju da su ključnu ulogu imale mlade galaksije pune masivnih zvijezda. Takve zvijezde proizvode goleme količine ultraljubičastog zračenja. No za reionizaciju nije bilo presudno samo koliko se tog zračenja stvaralo, nego koliko ga je uopće moglo izaći iz galaksija.
Velik dio te svjetlosti nikada ne stigne do međugalaktičkog prostora.
Plin i prašina unutar galaksije mogu je zaustaviti gotovo odmah, prije nego što napusti područja u kojima je nastala. Zato astronomi ne traže samo galaksije s dovoljno snažnim zvijezdama, nego one u kojima je dio zračenja uspio pronaći put prema van. Upravo je tu važan Lymanov kontinuum, odnosno ultraljubičasti fotoni valnih duljina kraćih od 912 angstroma. To zračenje može ionizirati vodik, ali samo ako se probije iz galaksije i dođe do prostora između galaksija.
LCEz4-M1 pokazuje svemir kakav je bio samo 1,4 milijarde godina nakon Velikog praska
U novom radu koji vodi Shuairu Zhu iz Šangajskog astronomskog opservatorija opisana je galaksija LCEz4-M1, jedan od najudaljenijih poznatih kandidata kod kojih je zabilježen izlazak ionizirajućeg ultraljubičastog zračenja. Galaksija se nalazi na crvenom pomaku z = 4,444, što znači da je promatramo kakva je bila oko 1,4 milijarde godina nakon Velikog praska.
To je nešto kasnije od glavne faze kozmičke reionizacije, ali još uvijek dovoljno rano da LCEz4-M1 može pomoći astronomima razumjeti kako je takvo zračenje izlazilo iz mladih galaksija. Isti je mehanizam vjerojatno bio važan nekoliko stotina milijuna godina ranije, kada se stanje međugalaktičkog vodika mijenjalo u velikim razmjerima.
Kako bi provjerili da signal doista dolazi iz te galaksije, istraživači su kombinirali podatke s Very Large Telescopea u Čileu te svemirskih teleskopa Hubble i James Webb. Udaljenost galaksije odredili su pomoću vodikove emisijske linije, koja u podacima ima prepoznatljiv, nesimetričan oblik.
Zatim su morali isključiti još jednu mogućnost. Kod tako dalekih i slabih izvora uvijek postoji rizik da dio svjetlosti zapravo dolazi od nepovezanog objekta koji se slučajno nalazi u istom dijelu neba. Tim je zato pažljivo pregledao okolne snimke i tražio znakove da se u signal umiješao neki drugi izvor.
Ključan dio rezultata jest to što je ultraljubičasti signal pronađen u dva neovisna skupa podataka. Pojavljuje se na snimkama svemirskog teleskopa Hubble, ali i u spektroskopskim podacima Vrlo Velikog Teleskopa. To ne uklanja svaku nesigurnost, ali rezultat čini znatno uvjerljivijim nego da se oslanja samo na jedno promatranje.
Ova galaksija ne izgleda kao tipičan izvor takve svjetlosti
Kod bližih galaksija iz kojih izlazi ionizirajuće zračenje obično se vidi sličan obrazac. Najčešće su to male i zbijene galaksije u kojima se zvijezde rađaju naglo i vrlo intenzivno. Takve epizode mogu snažno promijeniti raspored plina. Zvjezdani vjetrovi i eksplozije supernova mogu raščistiti dijelove međuzvjezdanog prostora i otvoriti prolaze kroz koje zračenje izlazi iz galaksije.
LCEz4-M1 zato je posebno zanimljiva. Kompaktna jest, ali ne izgleda kao galaksija u kojoj se zvijezde upravo stvaraju ekstremnom brzinom. Njezina površinska gustoća stvaranja zvijezda niža je nego kod bližih galaksija kod kojih je zabilježen sličan izlazak ionizirajućeg zračenja.
To otvara drukčije tumačenje. Moguće je da astronomi ne gledaju galaksiju u njezinoj najburnijoj fazi, nego kratko nakon nje. Raniji nalet stvaranja zvijezda možda je već probio put kroz plin i prašinu, a svjetlost još uvijek izlazi kroz kanale koji su tada nastali.
U tom slučaju LCEz4-M1 nije važna zato što izgleda ekstremno, nego zato što možda pokazuje fazu nakon snažnog razdoblja stvaranja zvijezda. Ako ionizirajuće zračenje može izlaziti i tada, rane galaksije mogle su sudjelovati u reionizaciji na više načina nego što se vidi samo u najburnijim primjerima.
Gusto galaktičko susjedstvo moglo je pomoći svjetlosti da izađe
U blizini LCEz4-M1 istraživači su pronašli i slabiji prateći objekt. To ostavlja mogućnost da je galaksija prošla kroz manju gravitacijsku interakciju. Sama glavna galaksija ne pokazuje jasne tragove velikog spajanja i ne izgleda snažno poremećeno, ali njezina okolina nije prazna. U istom području nalazi se još oko 15 galaksija.
Takvo susjedstvo moglo bi biti dio objašnjenja. Gravitacijske interakcije mogu promijeniti raspored plina u galaksiji i stvoriti putove kroz koje ultraljubičasto zračenje lakše izlazi u međugalaktički prostor.
Ipak, autori su oprezni. Ne tvrde da se LCEz4-M1 sigurno nalazi u galaktičkom “protojatu”, odnosno u ranom obliku budućeg jata galaksija. Podaci zasad nisu dovoljno duboki, a nije napravljena ni potpuna analiza koja bi pokazala koliko je uzorak cjelovit. Gusto okruženje zato ostaje mogući dio priče, ali ne i dokazana činjenica.
Za sada je najvažnije to što LCEz4-M1 pripada malom broju poznatih galaksija na crvenom pomaku većem od 4 kod kojih postoje znakovi izlaska zračenja Lymanova kontinuuma. Upravo zato može pomoći astronomima da bolje razumiju uvjete u kojima takva svjetlost uspijeva napustiti galaksiju.
Dublja spektroskopska promatranja trebala bi pokazati što je u ovom slučaju presudno. Možda je to ranija epizoda stvaranja zvijezda. Možda raspored plina. Možda gusto galaktičko okruženje, ili kombinacija tih čimbenika. Iza jedne male i vrlo udaljene galaksije zato stoji veće pitanje rane kozmologije: kako je svjetlost prvih galaksija uspjela izaći u međugalaktički prostor i promijeniti mladi svemir.