Det er den fjerneste, og derfor den tidligste, endnu opdagede. Det ses, som om det var kun 700 millioner år efter Big Bang.
En kunstners gengivelse af den nyligt opdagede mest fjerne galakse z8_GND_5296. Billedkredit: V. Tilvi, S.L. Finkelstein, C. Papovich, Hubble Heritage Team
University of Texas ved Austin-astronom Steven Finkelstein har ledet et hold, der har opdaget og målt afstanden til den fjerneste galakse, der endnu er fundet. Galaksen ses som den var på et tidspunkt kun 700 millioner år efter Big Bang. Mens observationer med NASAs Hubble-rumteleskop har identificeret mange andre kandidater til galakser i det tidlige univers, herunder nogle, der måske kan være endnu mere fjernt, er denne galakse den fjerneste og tidligste, hvis afstand definitivt bekræftes med opfølgningsobservationer fra Keck I teleskop, et af et par af verdens største jordbundne teleskoper. Resultatet offentliggøres i tidsskriftet 24. oktober Natur.
Dette billede fra Hubble-rumteleskopets CANDELS-undersøgelse fremhæver den fjerneste galakse i universet med en målt afstand, kaldet z8_GND_5296. Galaxens røde farve advarede astronomer om, at den sandsynligvis var ekstremt langt væk og således set på et tidligt tidspunkt efter Big Bang. Et team af astronomer målte den nøjagtige afstand ved hjælp af Keck I-teleskopet med den nye MOSFIRE-spektrograf. De fandt, at denne galakse ses omkring 700 millioner år efter Big Bang, da universet kun var 5% af sin nuværende alder på 13,8 milliarder år. (Billedkredit: V. Tilvi, Texas A&M University; S.L. Finkelstein, University of Texas i Austin; C. Papovich, Texas A&M University; CANDELS Team og Hubble Space Telescope / NASA.)
”Vi vil studere meget fjerne galakser for at lære, hvordan galakser ændrer sig med tiden, hvilket hjælper os med at forstå, hvordan Mælkevejen blev,” sagde Finkelstein.
Det er det, der gør denne bekræftede galakseafstand så spændende, fordi "vi får et glimt af forhold, da universet kun var omkring 5 procent af dets nuværende alder på 13,8 milliarder år," sagde Casey Papovich fra Texas A&M University, anden forfatter af studien.
Astronomer kan studere, hvordan galakser udvikler sig, fordi lys bevæger sig med en bestemt hastighed, ca. 186.000 miles i sekundet. Når vi ser på fjerne objekter, ser vi dem således, som de optrådte i fortiden. Jo fjernere astronomer kan skubbe deres observationer, jo længere ind i fortiden kan de se.
Djævelen er dog i detaljerne, når det gælder konklusioner om galakseudvikling, påpeger Finkelstein. ”Før du kan tage stærke konklusioner om, hvordan galakser udviklede sig, skal du være sikker på, at du ser på de rigtige galakser.”
Dette betyder, at astronomer skal anvende de strengeste metoder til at måle afstanden til disse galakser for at forstå, hvilken epoke af universet de ses.
Finkelsteins team valgte denne galakse og snesevis af andre til opfølgning fra de ca. 100.000 galakser, der blev opdaget i Hubble CANDELS-undersøgelsen (hvoraf Finkelstein er teammedlem). Det største projekt i Hubbles historie, CANDELS brugte mere end en måned med Hubble-observationstid.
Holdet kiggede efter CANDELS-galakser, der muligvis var ekstremt fjernt, baseret på deres farver fra Hubble-billederne. Denne metode er god, men ikke idiotsikker, siger Finkelstein. Det er vanskeligt at bruge farver til at sortere galakser, fordi flere objekter i nærheden kan maskere som fjerne galakser.
Så for at måle afstanden til disse potentielt tidlige univers galakser på en endelig måde, bruger astronomer spektroskopi - specifikt, hvor meget en galakas lysbølgelængder har skiftet mod den røde ende af spektret i løbet af deres rejser fra galaksen til Jorden på grund af udvidelsen af universet. Dette fænomen kaldes "rødskift."
Holdet brugte Keck Observatory's Keck I-teleskop i Hawaii, et af de største optiske / infrarøde teleskoper i verden, til at måle rødskiftet i CANDELS-galaksen, der blev betegnet z8_GND_5296 ved 7.51, den højeste galakse rødskift nogensinde bekræftet. Rødskiftet betyder, at denne galakse kommer fra et tidspunkt kun 700 millioner år efter Big Bang.
Keck I var udstyret med det nye MOSFIRE-instrument, som gjorde målingen mulig, sagde Finkelstein. ”Instrumentet er fantastisk. Ikke kun er den følsom, den kan se på flere objekter ad gangen. ”Han forklarede, at det var den sidstnævnte funktion, der gjorde det muligt for hans team at observere 43 CANDELS-galakser på kun to nætter i Keck og opnå observationer af højere kvalitet end der er muligt overalt andet.
Forskere er i stand til nøjagtigt at måle afstandene til galakser ved at måle en funktion fra det allestedsnærværende element brint kaldet Lyman alfa-overgangen, som udsender lyst i fjerne galakser. Det registreres i næsten alle galakser, der ses fra en tid mere end en milliard år fra Big Bang, men når man kommer tættere på det, bliver brændstofemissionslinjen af en eller anden grund stadig sværere at se.
Af de 43 galakser, der blev observeret med MOSFIRE, opdagede Finkelsteins team denne Lyman alpha-funktion fra kun en. ”Vi var begejstrede for at se denne galakse,” sagde Finkelstein. ”Og så var vores næste tanke:” Hvorfor så vi ikke noget andet? Vi bruger det bedste instrument på det bedste teleskop med den bedste galakse-prøve. Vi havde det bedste vejr - det var smukt. Og stadig så vi kun denne emissionslinje fra en ud af vores prøve på 43 observerede galakser, da vi forventede at se omkring seks. Hvad sker der?"
Forskerne har mistanke om, at de muligvis har nulstillet i den æra, hvor universet gjorde sin overgang fra en uigennemsigtig tilstand, hvor det meste af brintgas mellem galakser er neutral til en gennemskinnelig tilstand, hvor det meste af brintet ioniseres (kaldet Era of Re -ionization). Så det er ikke nødvendigvis, at de fjerne galakser ikke er der. Det kan være, at de er skjult for detektering bag en mur af neutralt brint, der blokerer for Lyman-alfa-signalet, som teamet ledte efter.
Skønt astronomerne kun opdagede en galakse fra deres CANDELS-prøve, viste det sig at være ekstraordinær. Ud over dets store afstand viste holdets observationer, at galaksen z8_GND_5296 danner stjerner ekstremt hurtigt - producerer stjerner med en hastighed, 150 gange hurtigere end vores egen Mælkevej-galakse. Denne nye afstandsrekordholder ligger i den samme del af himlen som den tidligere rekordholder (rødskift 7.2), som også tilfældigvis har en meget høj stjernedannelsesfrekvens.
”Så vi lærer noget om det fjerne univers,” sagde Finkelstein. ”Der er langt flere regioner med meget høj stjernedannelse end vi tidligere troede…. Der må være et anstændigt antal af dem, hvis vi tilfældigvis finder to i det samme himmelområde. ”
Ud over deres studier med Keck observerede teamet også z8_GND_5296 i det infrarøde med NASAs Spitzer-rumteleskop. Spitzer målte, hvor meget ioniseret ilt galaksen indeholder, hvilket hjælper med at fastlægge stjernedannelseshastigheden. Spitzer-observationer hjalp også med at udelukke andre typer objekter, der kunne maskereres som en ekstremt fjern galakse, såsom en mere nærliggende galakse, der er særlig støvet.
Holdet er håbefuld om deres fremtidsudsigter på dette område. Universitetet i Texas i Austin er en grundlægger af det 25 meter store Giant Magellan Telescope (GMT), der snart begynder at bygge i bjergene i Chile. Dette teleskop har næsten fem gange Keck's lysopsamlingskraft og vil være følsomt over for meget svagere emissionslinjer samt endnu mere fjerne galakser. Selvom de nuværende observationer begynder at klæbe sig fast, når re-ionisering fandt sted, er der behov for mere arbejde.
”Re-ioniseringsprocessen vil sandsynligvis ikke være meget pludselig,” sagde Finkelstein. ”Med GMT vil vi registrere mange flere galakser, og skubbe vores undersøgelse af det fjerne univers endnu tættere på Big Bang.”
Andre holdmedlemmer inkluderer Bahram Mobasher fra University of California, Riverside; Mark Dickinson fra National Observatory for Optical Astronomy; Vithal Tilvi fra Texas A&M; og Keely Finkelstein og Mimi Song fra UT-Austin.
Via McDonald Observatory / University of Texas, Austin