Immagine a falsi colori di una regione di 2 gradi quadrati del campo di indagine LAGER, creato da immagini riprese nell'ottica a 500 nm (blu), nel vicino infrarosso a 920 nm (rosso), e in un filtro a banda stretta centrato a 964 nm (verde). L'ultimo è sensibile all'emissione di idrogeno Lyman alfa a z ~ 7. I piccoli riquadri bianchi indicano le posizioni dei 23 LAE scoperti nel sondaggio. I riquadri dettagliati (gialli) mostrano due dei LAE più luminosi; sono 0,5 minuti d'arco per lato, e i cerchi bianchi hanno un diametro di 5 secondi d'arco. Credito:Zhen-Ya Zheng (SHAO) e Junxian Wang (USTC).
Gli astronomi che studiano il lontano Universo hanno scoperto che le piccole galassie che formano stelle erano abbondanti quando l'Universo aveva solo 800 milioni di anni, una piccola percentuale della sua età attuale. I risultati suggeriscono che le prime galassie, che ha illuminato e ionizzato l'Universo, formatosi in tempi anche precedenti.
Molto tempo fa, circa 300, 000 anni dopo l'inizio dell'Universo (il Big Bang), l'Universo era oscuro. Non c'erano ancora stelle e galassie, e l'Universo era pieno di gas idrogeno neutro. Ad un certo punto apparvero le prime galassie, e la loro radiazione energetica ionizzava l'ambiente circostante, il gas intergalattico, illuminare e trasformare l'Universo.
Sebbene sia noto che questa drammatica trasformazione si sia verificata in un intervallo compreso tra 300 milioni di anni e 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, determinare quando si sono formate le prime galassie è una sfida. Il gas intergalattico, che inizialmente è neutro, assorbe e disperde fortemente la luce ultravioletta emessa dalle galassie, rendendoli difficili da rilevare.
Per capire quando è avvenuta la trasformazione, gli astronomi adottano un approccio indiretto. Utilizzando i dati demografici delle piccole galassie che formano stelle per determinare quando il gas intergalattico si è ionizzato, possono dedurre quando le sorgenti ionizzanti, le prime galassie, formato. Se le galassie che formano stelle, che brillano alla luce della linea alfa di Lyman dell'idrogeno, sono circondati da idrogeno gassoso neutro, i fotoni alfa di Lyman sono facilmente dispersi, proprio come i fari nella nebbia, oscurando le galassie. Quando il gas è ionizzato, la nebbia si alza, e le galassie sono più facili da rilevare.
Un nuovo studio che adotta questo approccio ha scoperto 23 galassie Lyman alfa emettitrici (LAE) candidate che erano presenti 800 milioni di anni dopo il Big Bang (con un redshift di z~7), il più grande campione rilevato fino ad oggi in quell'epoca. Lo studio, "Le galassie Lyman-Alpha nell'epoca della reionizzazione" (LAGER), è stata effettuata da un team internazionale di astronomi provenienti dalla Cina, gli Stati Uniti, e il Cile utilizzando la Dark Energy Camera (DECam) sul telescopio CTIO Blanco da 4 m.
Pietre miliari nella storia dell'Universo (non in scala). Il gas intergalattico era in uno stato neutro da circa 300, 000 anni dopo il Big Bang fino a quando la luce della prima generazione di stelle e galassie iniziò a ionizzarla. Il gas è stato completamente ionizzato dopo 1 miliardo di anni. Lo studio LAGER esamina da vicino lo stato dell'Universo a 800 milioni di anni (riquadro giallo) per indagare su quando e come si è verificata questa trasformazione. Credito:NAOJ.
Sebbene lo studio abbia rilevato molti LAE, ha anche scoperto che i LAE erano 4 volte meno comuni a 800 milioni di anni rispetto a poco tempo dopo, a 1 miliardo di anni (con un redshift di z~5.7). I risultati implicano che il processo di ionizzazione dell'Universo è iniziato presto ed era ancora incompleto a 800 milioni di anni, con il gas intergalattico circa per metà neutro e per metà ionizzato a quell'epoca. Il basso tasso di incidenza di LAE a 800 milioni di anni deriva dalla soppressione della loro emissione Lyman alfa da parte di gas intergalattici neutri.
Lo studio mostra che "la nebbia si stava già alzando quando l'universo aveva il 5% della sua età attuale", ha spiegato Sangeeta Malhotra (Goddard Space Flight Center e Arizona State University), uno dei co-responsabili del sondaggio.
Junxian Wang (USTC), l'organizzatore dello studio, ulteriormente spiegato, "La nostra scoperta che il gas intergalattico è ionizzato al 50% a z ~ 7 implica che una grande frazione delle prime galassie che hanno ionizzato e illuminato l'universo si è formata presto, meno di 800 milioni di anni dopo il Big Bang."
Per Zhenya Zheng (Osservatorio Astronomico di Shanghai, CAS), l'autore principale del documento che descrive questi risultati, "800 milioni di anni è l'attuale frontiera negli studi di reionizzazione". Mentre centinaia di LAE sono stati trovati in epoche successive, solo circa due dozzine di LAE candidati erano noti a 800 milioni di anni prima dell'attuale studio. I nuovi risultati aumentano notevolmente il numero di LAE conosciuti in quest'epoca.
"Nessuna di questa scienza sarebbe stata possibile senza le capacità widefield di DECam e della sua pipeline comunitaria per la riduzione dei dati, " ha osservato il coautore James Rhoads. "Queste capacità consentono indagini efficienti e quindi la scoperta di galassie deboli e rare, quelli luminosi."
Per costruire su questi risultati, il team sta "continuando la ricerca di galassie lontane che formano stelle su un volume più ampio dell'Universo", ha detto Leopoldo Infante (Pontificia Catolica University of Chile e Carnegie Institution for Science), "studiare il raggruppamento di LAE". Il clustering fornisce informazioni uniche sul modo in cui la nebbia si solleva. Il team sta anche studiando la natura di queste lontane galassie.
