Astrônomos usando o telescópio Mayall no Observatório Nacional Kitt Peak, um programa do National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory da NSF, identificaram várias bolhas sobrepostas de gás hidrogênio ionizado pelas estrelas nas primeiras galáxias, meros 680 milhões de anos após o Big Bang. Esta é a evidência direta mais antiga do período em que a primeira geração de estrelas se formou e começou a reionizar o gás hidrogênio que permeava o universo.

Houve um período no início do universo - conhecido como "idade das trevas cósmicas" - quando as partículas elementares, formado no Big Bang, havia se combinado para formar hidrogênio neutro, mas nenhuma estrela ou galáxia existia ainda para iluminar o universo. Este período começou menos de meio milhão de anos após o Big Bang e terminou com a formação das primeiras estrelas. Embora este estágio da evolução do nosso universo seja indicado por simulações de computador, as evidências diretas são esparsas.

Agora, astrônomos usando o gerador de imagens infravermelho NEWFIRM no telescópio Mayall de 4 metros no Observatório Nacional de Kitt Peak do Laboratório de Pesquisa em Astronomia de Infravermelho Óptico Nacional da NSF (OIR Lab), relataram imagens de um grupo de galáxias, conhecido como EGS77, que contém essas primeiras estrelas. EGS, ou a Extended Groth Strip, é uma região fotografada pelo HST em 2005; corresponde a uma estreita faixa do céu com a largura de um dedo mantido com o braço estendido. Existem pelo menos 50, 000 galáxias conhecidas dentro da faixa. Seus resultados foram anunciados em uma conferência de imprensa realizada hoje na 235ª reunião da American Astronomical Society (AAS) em Honolulu, Havaí.

"O jovem universo estava cheio de átomos de hidrogênio, que atenuam tanto a luz ultravioleta que bloqueiam nossa visão das primeiras galáxias, "disse James Rhoads no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, que apresentou os resultados na conferência de imprensa da AAS. "EGS77 é o primeiro grupo de galáxias capturado no ato de limpar esta névoa cósmica."

A equipe começou com uma pesquisa de imagem projetada para detectar galáxias com alto redshift e combinou esses dados com as imagens correspondentes obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble. Isso permitiu que a equipe calculasse o que é conhecido como desvio para o vermelho fotométrico, um proxy para estimar a distância. Nestes redshifts, a luz de uma galáxia é desviada completamente da faixa de comprimentos de onda aos quais o olho humano é sensível (o espectro visível) para comprimentos de onda mais longos (infravermelho). Os critérios para selecionar candidatos a galáxias distantes incluíam uma detecção clara deles nos filtros infravermelhos especiais de banda estreita usados ​​com NEWFIRM no telescópio Mayall de 4 metros e uma não detecção completa nas bandas de filtro óptico de comprimento de onda mais curto usadas pelo Hubble. "A descoberta das duas galáxias mais fracas no grupo só foi possível por causa do filtro especial de banda estreita usado com NEWFIRM, "disse o líder da equipe Vithal Tilvi, pesquisador da Arizona State University em Tempe.

"A luz intensa das galáxias pode ionizar o gás hidrogênio circundante, formando bolhas que permitem que a luz das estrelas viaje livremente, "disse Tilvi." EGS77 formou uma grande bolha que permite que sua luz viaje para a Terra sem muita atenuação. Eventualmente, bolhas como essas cresceram em torno de todas as galáxias e preencheram o espaço intergaláctico, abrindo caminho para a luz viajar pelo universo. "

EGS77 foi descoberto como parte da pesquisa Cosmic Deep And Wide Narrowband (Cosmic DAWN), para o qual Rhoads atua como investigador principal. A equipe capturou imagens de uma pequena área na constelação de Boötes usando um filtro customizado no gerador de imagens de campo extremamente amplo infravermelho do National Optical Astronomy Observatory (NEWFIRM). Ron Probst, um membro da equipe DAWN que também ajudou a desenvolver NEWFIRM, adiciona, "Esses resultados mostram o valor de manter em nossos observatórios nacionais instrumentos que sejam poderosos e possam se adaptar com flexibilidade para buscar novas questões científicas, perguntas que podem não estar em mente quando um instrumento foi originalmente construído. "

Uma vez identificado, as distâncias e, portanto, as idades dessas galáxias foram confirmadas com espectros obtidos com o espectrógrafo MOSFIRE no telescópio Keck I no Observatório W. M. Keck em Maunakea, no Havaí. Todas as três galáxias mostram fortes linhas de emissão de hidrogênio Lyman alfa em um desvio para o vermelho (z =7,7), o que significa que os vemos cerca de 680 milhões de anos após o Big Bang. O tamanho da bolha ionizada em torno de cada um foi derivado de modelagem por computador. Essas bolhas se sobrepõem espacialmente, mas são grandes o suficiente (cerca de 2,2 milhões de anos-luz) para que os fótons alfa de Lyman sejam desviados para o vermelho antes de chegarem ao limite da bolha e possam, assim, escapar ilesos, permitindo que os astrônomos os detectem.

"Esperávamos que as bolhas de reionização desta era da história cósmica fossem raras e difíceis de encontrar, "disse Sangeeta Malhotra, um colaborador da NASA GSFC, "então a confirmação dessa transição é importante." Este "amanhecer cósmico, "o estado intermediário entre um universo neutro e um universo ionizado, é algo que foi previsto. Essas descobertas são possíveis devido à disponibilidade de poderosos instrumentos astronômicos que podem sondar o universo de uma forma não imaginada por gerações anteriores de astrônomos.

Esta pesquisa será apresentada em um próximo artigo e está atualmente em fase de aceitação.