Kvasarer oplyser spøgelsesagtige skyer af intergalaktisk brint, hvilket giver udsigt til universet for 11 milliarder år siden.
Forskere fra Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) har skabt det største nogensinde tredimensionelle kort over det fjerne univers ved at bruge lyset fra de lyseste objekter i kosmos til at belyse spøgelsesskyer af intergalaktisk brint. Kortet giver et hidtil uset billede af, hvordan universet så ud for 11 milliarder år siden.
Anze Slosar, en fysiker ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory, præsenterede de nye fund 1. maj 2011 på et møde i American Physical Society. Resultaterne vises i en artikel, der er sendt online på arXiv astrophysics pre-server.
En skive gennem det tredimensionelle kort over universet. Mælkevejen er i den nederste spids af kilen; sorte prikker, der går ud til ca. 7 milliarder lysår, er nærliggende galakser. Det røde krydsskraverede område kunne ikke observeres med SDSS-teleskopet. Billedkredit: A. Slosnar og SDSS-III-samarbejdet
En zoomet visning af kortskiven vist i det forrige billede. Røde områder har mere gas; blå områder har mindre gas. Den sorte skala nederst til højre måler en milliard lysår. Billedkredit: A. Slosnar og SDSS-III-samarbejdet
Den nye teknik, der bruges af Slosar og hans kolleger, vender astronomiens standardtilgang på hovedet. Slosar forklarede:
Normalt laver vi vores kort over universet ved at se på galakser, der udsender lys. Men her ser vi på intergalaktisk brintgas, der blokerer for lys. Det er som at se på månen gennem skyer - du kan se formen på skyerne ved måneskin, som de blokerer.
I stedet for månen observerede SDSS-teamet kvasarer, strålende lysende fyrbiler drevet af kæmpe sorte huller. Kvasarer er lyse nok til at ses milliarder af lysår fra Jorden, men på disse afstande ligner de små, svage lyspunkter. Når lys fra en kvasar bevæger sig på sin lange rejse til Jorden, passerer det gennem skyer af intergalaktisk brintgas, der optager lys ved specifikke bølgelængder, der afhænger af afstanden til skyerne. Denne ujævn absorption er et uregelmæssigt mønster på kvasarlyset, der er kendt som Lyman-alfa skov.
En observation af en enkelt kvasar giver et kort over brintstoffet i retning af kvasaren, forklarede Slosar. Nøglen til at lave et fuldt tredimensionelt kort er tal. Han sagde:
Når vi bruger måneskin til at se på skyer i atmosfæren, har vi kun en måne. Men hvis vi havde 14.000 måner over hele himlen, kunne vi se på lyset blokeret af skyer foran dem alle, meget som det, vi kan se i løbet af dagen. Du får ikke bare mange små billeder - du får det store billede.
Det store billede, der vises på Slosars kort, indeholder vigtige spor til universets historie. Kortet viser en tid for 11 milliarder år siden, hvor de første galakser lige begyndte at samles under tyngdekraften for at danne de første store klynger. Da galakserne bevægede sig, flyttede det intergalaktiske brint med sig. Andreu Font-Ribera, en kandidatstuderende ved Institut for Rumvidenskab i Barcelona, skabte computermodeller af, hvordan gassen sandsynligvis bevægede sig, da disse klynger dannede sig. Resultaterne af hans computermodeller stemte godt overens med kortet.
Font-Ribera sagde:
Det fortæller os, at vi virkelig forstår, hvad vi måler. Med disse oplysninger kan vi sammenligne universet derefter med universet nu og lære, hvordan tingene har ændret sig.
Quasarobservationer kommer fra Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), den største af de fire undersøgelser, der udgør SDSS-III. Eric Aubourg fra University of Paris ledede et team af franske astronomer, der visuelt inspicerede hver enkelt af de 14.000 kvasarer individuelt. Aubourg forklarede:
Den endelige analyse udføres af computere. Men når det kommer til at opdage problemer og finde overraskelser, er der stadig ting, som et menneske kan gøre, som en computer ikke kan.
David Schlegel, en fysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien og den vigtigste efterforsker af BOSS, sagde:
BOSS er første gang nogen har brugt Lyman-alpha-skoven til at måle universets tredimensionelle struktur. Med enhver ny teknik er folk nervøse over, om du virkelig kan trække den af, men nu har vi vist, at vi kan.
Ud over BOSS, bemærkede Schlegel, kan den nye kortlægningsteknik anvendes til fremtidige, endnu mere ambitiøse undersøgelser, ligesom den foreslåede efterfølger BigBOSS.
Når BOSS-observationer er afsluttet i 2014, kan astronomer lave et kort, der er ti gange større end det, der blev frigivet i dag, ifølge Patrick McDonald fra Lawrence Berkeley National Laboratory og Brookhaven National Laboratory, der banebrydede teknikker til måling af universet med Lyman-alpha-skoven og hjalp med at designe BOSS-kvasarundersøgelsen. Det ultimative mål med BOSS er at bruge subtile funktioner i kort som Slosars for at studere, hvordan udvidelsen af universet har ændret sig i løbet af dens historie. McDonald sagde:
Når BOSS slutter, vil vi være i stand til at måle, hvor hurtigt universet ekspanderede for 11 milliarder år siden med en nøjagtighed på et par procent. I betragtning af at ingen nogensinde har målt den kosmiske ekspansionshastighed så langt tilbage i tiden, er det et temmelig forbløffende udsigt.
Quasar-ekspert Patrick Petitjean fra Institut d’Astrophysique de Paris, et nøglemedlem i Aubourgs quasar-inspicerende team, ser frem til den fortsatte oversvømmelse af BOSS-data:
Fjorten tusind kvasarer nede, hundrede og fyrretusen tusinde at gå. Hvis BOSS finder dem, er vi glade for at se på dem alle, én efter én. Med så meget data er vi nødt til at finde ting, som vi aldrig havde forventet.