Astronomi che utilizzano il telescopio Mayall al Kitt Peak National Observatory, un programma del National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory della NSF, hanno identificato diverse bolle sovrapposte di gas idrogeno ionizzato dalle stelle nelle prime galassie, appena 680 milioni di anni dopo il Big Bang. Questa è la prima prova diretta del periodo in cui la prima generazione di stelle si formò e iniziò a reionizzare il gas idrogeno che permeava l'universo.

C'è stato un periodo nell'universo primordiale, noto come "età oscure cosmiche", in cui le particelle elementari, formatosi nel Big Bang, si erano combinati per formare idrogeno neutro, ma non esistevano ancora stelle o galassie per illuminare l'universo. Questo periodo iniziò meno di mezzo milione di anni dopo il Big Bang e terminò con la formazione delle prime stelle. Mentre questa fase nell'evoluzione del nostro universo è indicata da simulazioni al computer, le prove dirette sono scarse.

Ora, astronomi che utilizzano la termocamera a infrarossi NEWFIRM sul telescopio Mayall di 4 metri presso il Kitt Peak National Observatory del National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (OIR Lab) della NSF, hanno riferito di aver fotografato un gruppo di galassie, noto come EGS77, che contiene queste prime stelle. EGS, o la striscia di Groth estesa, è una regione ripresa da HST nel 2005; corrisponde a una stretta striscia di cielo della larghezza di un dito tenuto alla lunghezza di un braccio. Ce ne sono almeno 50, 000 galassie conosciute all'interno della striscia. I loro risultati sono stati annunciati in una conferenza stampa tenutasi oggi al 235° meeting dell'American Astronomical Society (AAS) a Honolulu, Hawaii.

"Il giovane universo era pieno di atomi di idrogeno, che attenuano così tanto la luce ultravioletta da bloccare la nostra visione delle prime galassie, " ha detto James Rhoads al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, che ha presentato i risultati alla conferenza stampa dell'AAS. "EGS77 è il primo gruppo di galassie colto nell'atto di disperdere questa nebbia cosmica".

Il team ha iniziato con un'indagine di imaging progettata per rilevare galassie ad alto redshift e ha combinato questi dati con le immagini corrispondenti scattate dal telescopio spaziale Hubble. Ciò ha permesso al team di calcolare il cosiddetto redshift fotometrico, un proxy per la stima della distanza. A questi redshift, la luce di una galassia viene spostata completamente fuori dalla gamma di lunghezze d'onda a cui l'occhio umano è sensibile (spettro visibile) a lunghezze d'onda più lunghe (infrarossi). I criteri per la selezione delle galassie candidate distanti includevano una loro chiara rilevazione negli speciali filtri infrarossi a banda stretta utilizzati con NEWFIRM sul telescopio Mayall da 4 metri e una completa non rilevazione nelle bande del filtro ottico a lunghezza d'onda più corta utilizzate da Hubble. "La scoperta delle due galassie più deboli nel gruppo è stata possibile solo grazie allo speciale filtro a banda stretta utilizzato con NEWFIRM, " ha detto il capo squadra Vithal Tilvi, un ricercatore presso l'Arizona State University di Tempe.

"La luce intensa delle galassie può ionizzare il gas idrogeno circostante, formando bolle che consentono alla luce delle stelle di viaggiare liberamente, " ha detto Tilvi. "EGS77 ha formato una grande bolla che permette alla sua luce di viaggiare verso la Terra senza troppa attenuazione. Infine, bolle come queste crescevano intorno a tutte le galassie e riempivano lo spazio intergalattico, aprendo la strada alla luce per viaggiare attraverso l'universo."

EGS77 è stato scoperto come parte del sondaggio Cosmic Deep And Wide Narrowband (Cosmic DAWN), per il quale Rhoads funge da investigatore principale. Il team ha ripreso una piccola area nella costellazione di Bootes utilizzando un filtro personalizzato sull'imager a infrarossi estremamente ampio del National Optical Astronomy Observatory (NEWFIRM). Ron Probst, un membro del team DAWN che ha anche contribuito a sviluppare NEWFIRM, aggiunge, "Questi risultati mostrano il valore di mantenere nei nostri osservatori nazionali strumenti potenti e in grado di adattarsi in modo flessibile per perseguire nuove questioni scientifiche, domande che potrebbero non essere state in mente quando uno strumento è stato originariamente costruito."

Una volta identificato, le distanze e quindi le età di queste galassie sono state confermate con spettri prelevati con lo spettrografo MOSFIRE al telescopio Keck I dell'Osservatorio W.M. Keck a Maunakea alle Hawaii. Tutte e tre le galassie mostrano forti righe di emissione di idrogeno Lyman alfa ad un redshift (z =7,7), il che significa che li stiamo vedendo a circa 680 milioni di anni dopo il Big Bang. La dimensione della bolla ionizzata intorno a ciascuna è stata ricavata da modelli al computer. Queste bolle si sovrappongono spazialmente, ma sono abbastanza grandi (circa 2,2 milioni di anni luce) che i fotoni alfa di Lyman vengono spostati verso il rosso prima che raggiungano il confine della bolla e possano quindi sfuggire illesi, permettendo agli astronomi di rilevarli.

"Ci aspettavamo che le bolle di reionizzazione di quest'era nella storia cosmica sarebbero state rare e difficili da trovare, " disse Sangeeta Malhotra, un collaboratore della NASA GSFC, "quindi la conferma di questa transizione è importante". Questa "alba cosmica, " lo stato intermedio tra un universo neutro e uno ionizzato, è qualcosa che è stato previsto. Tali scoperte sono rese possibili dalla disponibilità di potenti strumenti astronomici in grado di sondare l'universo in un modo inimmaginabile per le passate generazioni di astronomi.

Questa ricerca sarà presentata in un prossimo articolo ed è attualmente prossima all'accettazione.