Wczesny Wszechświat był przesłonięty mgłą złożoną z neutralnego wodoru i helu. Nawet silne świetło ultrafioletowym pierwszych gwiazd znajdujących się w pierwotnych galaktykach mogło ledwie przeniknąć przez absorbującą promieniowanie ścianę gazu. Niektórzy astronomowie nazywają tą erę Wszechświata ciemnymi wiekami.

Dopiero po około stu milionach gwiazdy stopniowe podgrzały i jzonizowały otaczający je gaz i przetworzyły nieprzezroczysty ocean gazu w przejrzystą pustkę. Bez tej transformacji, żaden teleskop nie byłby w stanie zobaczyć promieniowania UV poza naszą galaktyką. Cała nasza wiedza na temat źródeł promieniowania UV byłaby ograniczona do Drogi Mlecznej.

Dokładne określenie, kiedy nastąpiło przejście z ciemności do światła (znane jako re-jonizacja) i co je spowodowało, pozwoli na dokładne poznanie historii formowania się galaktyk we wczesnym Wszechświecie. Nowa praca teoretyczna dwóch astronomów Stuarta Wyithe’a z University of Melbourne i Abrahama Loeb’a zHarvard-Smithsonian Center for Astrophysics przedstawiona w numerze Nature z 26 lutego 2004 roku pokazuje, że ciemne wieki trwały przynajmniej około miliarda lat, ponieważ Wszechświat liczący miliard lat był w ciąż głównie obojętny.

Wielki Wybuch stworzył Wszechświat wypełniony gorącym, zjonizowanym wodorem i helem. Po jakichś 380 000 latach wszechświat rozszerzył się i oziębił dostatecznie, aby elektrony i nukleony mogły rekombinować i tworzyć neutralne, absorbujące promieniowanie UV wodór i hel. Przemiana z ciemności w przezroczystość wymagała ponownego zjonizowania gazu wypełniającego Wszechświat i ponownego rozłączenia elektronów i nukleonów. Pytanie więc brzmi, kiedy rejonizacja miała miejsce?

“Prosty model natychmiastowej i kompletnej jonizacji wykorzystujący dane z satelity WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) pokazują, że rejonizacja miałą miejsce około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu, dla przesunięcia ku czerwieni równego 17. Jednak proces rejonizacji nie był natychmiastowy i całkowity – był o wiele bardziej skomplikowany” – powiedział Wyithe.

Przesunięcie ku czerwieni powoduje, że odległy obiekt wygląda na czerwieńszy niż jest w rzeczywistości. Im większe przesunięcie ku czerwieni, tym obiekt dalszy.

Wyithe i Loeb prowadzili badanie kwazarów. W sercu każdego kwazara znajduje się supermasywna czarna dziura, która przyciąga wszelką materię z okolicy. Materia ta opada po spirali na czarną dziurę i część jej energii grawitacyjnej jest zamieniana na światło.

Promieniowanie ultrafioletowe z kwazarów może zjonizować gaz w międzygalaktycznym otoczeniu. Jasne kwazary nie są jednak na tyle liczne we wczesny Wszechświecie, aby być przyczyną rejonizacji. Każdy z nich był jednak na tyle potężny, aby lokalnie stworzyć bąbel zjonizowanego gazu.

Rozmiar tych bąbli zależy od właściwości otaczającego kwazar gazu. Jeżeli pobliski gaz jest w większości neutralny, to kwazar musi więcej energii włożyć w zjonizowanie gazu i może stworzyć tylko mały bąbel. Jeżeli okolica składa się w większości zjonizowanego gazu to kwazar wykonuje mniej pracy i może stworzyć większego bąbla.

“Dobrą analogią jest zima i spadający śnieg. Po słabej śnieżycy, możesz odśnieżać swoją drogę dojazdową do domu w ciągu 30 minut, ponieważ nie jest zbyt dużo materiału do przesunięcia. Natomiast po ciężkiej śnieżycy w ciągu 30 minut możesz odśnieżyć jedynie małą ścieżkę. Podobnie większe skupiska neutralnego materiału wokół kwazara, powodują możliwość oczyszczenia mniejszego terenu” – powiedział Loeb.

Aby wyliczyć jaką część stanowił neutralny wodór we wczesnym Wszechświecie, Wyithe i Loeb użyli dwóch z najbardziej odległych kwazarów jakie są do tej pory znane. Jeden ma przesunięcie do czerwieni równe około 6,3 a drugi około 6,4 oba leżą w odległości około 13 miliardów lat świetlnych. Przewidywany rozmiar zjonizowanego bąbla otaczającego kwazar został oszacowany na podstawie ilości wyemitowanych jonizujących fotonów i czasu życia kwazara. Następnie oszacowane dane zostały porównane z rozmiarami rzeczywistymi. Wynik był jasny.

“Zaobserwowany bąbel był mały, bardzo mały, więc ilość neutralnego wodoru musiała być duża. Miliard lat po Wielkim Wybuchu, kiedy zgodnie z wyliczeniami WMAP rejonizacja dawno już się zaczęła, większość międzygalaktycznej przestrzeni nadal była neutralna” – powiedział Wyithe.

Wyithe i Loeb znaleźli etap w historii formowania się gwiazd i związanej z tym jonizacji gazu. Proces rejonizacji zaczął się z formacją pierwszych gwiazd około 100 milionów po Wielkim Wybuchu i trwał bardzo długo. Przez kilka miliarów lat Wszechświat mógł byc tylko częściowo zjonizowany. Jest nawet możliwe, że rejonizacja odbyła się w dwóch fazach, za pomocą pierwszej i drugiej generacji gwiazd.

“Pierwsze gwiazdy były gorące, ponieważ składały się pierwotnego gazu pozostałego po Wielkim Wybuchu. Gdy tylko cięższe pierwiastki zostały wyprodukowane w ich wnętrzach i rozrzucone w pobliżu przez wybuchy supernowych, powstały następne generacje gwiazd. Te gwiazdy drugiej generacji, wzbogacone o pozostałości z wcześniejszych gwiazd były zimniejsze i wywoływały mniejszy efekt jonizacji. Przekonujące wydaje się stwierdzenie, że przestrzeń międzygwiazdna została całkowicie zjonizowana w niedługo po tym jak uformowało sie wystarczająco dużo gwiazd drugiej generacji“- powiedział Loeb.