Bijna aan het begin van de tijd was het universum in duisternis gehuld. Vervolgens produceerden vroege sterrenstelsels heldere, hete sterren die door kleine kanalen briljante licht intergalactische ruimte lekten, waardoor het universum transparant werd.
Dat is de conclusie van prachtige nieuwe "spiegelbeelden" van een ver sterrenstelsel dat bekend staat als de Sunburst Arc. Toen het universum nog maar een baby was, bestond het uit hete, maar snel afkoelende deeltjes. Zodra het universum voldoende was afgekoeld, combineerden protonen en elektronen tot neutrale waterstof, die het universum in duisternis bedekte, waardoor het niet waarneembaar was in het elektromagnetische spectrum, volgens MIT's Haystack Observatory. Gedurende deze periode, bekend als de donkere middeleeuwen, werd alle uitgezonden straling geabsorbeerd door het waterstofgas.
Toen, ongeveer een miljard jaar na de oerknal, tijdens het "Tijdperk van Reionisatie", ioniseerde een enorme schok energie het gas, waardoor elektronen van de waterstofatomen werden geslagen en plasma werd gevormd. Deze ionisatie vond plaats dankzij energetisch ultraviolet licht dat "hoogstwaarschijnlijk afkomstig was van zeer jonge, zeer heldere, zeer hete en ook zeer kortlevende sterren in de eerste sterrenstelsels", zegt hoofdauteur Thøger Emil Rivera-Thorsen, een postdoctoraal onderzoeker aan de universiteit van Oslo in Noorwegen. Maar het is onduidelijk hoe deze ionisatiegebeurtenis precies is gebeurd.
Om erachter te komen, wendden de onderzoekers zich tot een sterrenstelsel genaamd de "Sunburst Arc" dat ongeveer 11 miljard lichtjaar van ons verwijderd is (hoewel het moeilijk is om precies te weten hoe ver het is in een uitdijend universum.) De Sunburst Arc is niet helemaal oud genoeg om een van de vroege sterrenstelsels te zijn die het universum re-ioniseerden, maar het is oud genoeg om de onderzoekers iets over het proces te kunnen leren, zei Rivera-Thorsen.
In een eerdere studie keken Rivera-Thorsen en zijn team naar lichtsignalen afkomstig van de Sunburst Arc. Een paar hints suggereerden dat ioniserend licht uit deze vroege sterrenstelsels ontsnapte via een paar smalle kanalen of gaten in een anders ondoorzichtige omhulling die de melkweg bedekte. "Maar we kunnen niet zeggen dat we dit hebben gevonden totdat we het daadwerkelijk rechtstreeks hebben waargenomen", vertelde Rivera-Thorsen aan WordsSideKick.com.
Dus stelden de onderzoekers voor om deze gaten te detecteren met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop en 'kijk maar, het werkte', zei Rivera-Thorsen. De Sunburst Arc is zo geplaatst dat de Hubble het gemakkelijk kan zien. Een tussenliggende cluster van sterrenstelsels werkt als een kosmische microscoop en buigt en vergroot het licht van de Sunburst Arc - dat anders te zwak zou zijn om te zien - zodat de Hubble het in een reeks beelden kan oppikken. Dit effect, "zwaartekrachtlensing" genoemd, werd voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein en is in dit geval bijzonder sterk, wat leidt tot 12 dubbele beelden van de melkweg.
Sommige van deze afbeeldingen zijn gemaakt in het niet-ioniserende spectrum van zichtbaar licht en andere zijn gemaakt in het ioniserende lichtspectrum. Voor het ioniserende licht 'is eigenlijk alles wat je kunt zien één klein puntje en verder is er niets', zei hij. 'Dat was volgens mij een heel mooie bevestiging van onze hypothese - dat dit een gat is in een verder volledig ondoorzichtig, met gas bedekt sterrenstelsel.'
Verschillende factoren moesten in de rij staan om de onderzoekers dit effect te laten zien, en dus "hebben we ongelooflijk veel geluk gehad met het vinden van dit ding", zei Rivera-Thorsen. De Hubble-beelden legden bijvoorbeeld alle "sappige stukjes" van de melkweg vast, inclusief de plaatsen waar het ioniserende licht ontsnapte. Het is niet duidelijk waarom of hoe deze smalle kanalen zich in de eerste plaats hebben gevormd.
Bovendien zien we in de modernere sterrenstelsels 'niet echt veel van deze ioniserende straling ontsnappen, we zien hier en daar een klein beetje', voegde hij eraan toe. 'Er moet dus iets zijn veranderd aan de fysieke eigenschappen van deze sterrenstelsels tussen de periode van ongeveer 1 miljard jaar na de oerknal, toen het universum werd gereïoniseerd, behoorlijk dramatisch zijn veranderd.' In toekomstig werk willen Rivera-Thorsen en zijn team achterhalen hoe sterrenstelsels zijn veranderd sinds de tijd van de oerknal.
"Het bewijs voor ontsnappende ioniserende straling is overtuigend", zegt Yuri Izotov, een astronoom bij het Main Astronomical Observatory in Oekraïne, die geen deel uitmaakte van de studie. Hun bevindingen zijn belangrijk om te begrijpen hoe licht door stervormende sterrenstelsels lekt, en hun interpretatie dat het licht door gaten in de melkweg lekt "ziet er redelijk uit", vertelde Izotov aan WordsSideKick.com.
Brian Keating, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Californië in San Diego, die niet bij het werk betrokken was, is het daarmee eens. "De bronnen die de eerste ioniserende fotonen van het universum hebben gegenereerd, zijn al lang gehuld in mysterie," vertelde Keating aan WordsSideKick.com. 'Hun werk levert veelbelovende nieuwe inzichten op in de ondoorgrondelijke objecten waarvan wordt gedacht dat ze de belangrijkste drijfveren zijn van het tijdperk van reionisatie.'
De bevindingen werden op 7 november gepubliceerd in het tijdschrift Science.
