Galakser har oplevet kraftige udbrud af stjernedannelse fra meget tidligere i den kosmiske historie end tidligere antaget, ifølge nye observationer.
Disse såkaldte starburst-galakser producerer stjerner i en voldsom hastighed - hvilket skaber ækvivalent med tusind nye soler om året. Nu har astronomerne fundet starbursts, der kæmpede stjerner ud, da universet bare var en milliard år gammel. Tidligere vidste astronomer ikke, om galakser kunne danne stjerner med så høje priser så tidligt i tiden.
Opdagelsen gør det muligt for astronomer at studere de tidligste bursts af stjernedannelse og uddybe deres forståelse af, hvordan galakser dannet og udviklet sig. Holdet beskriver deres fund i en artikel, der blev offentliggjort online den 13. marts i tidsskriftet Nature og i to andre, der er blevet accepteret til offentliggørelse i Astrophysical Journal.
Lysstråler fra en fjern galakse afbøjes på grund af tyngdekraften i en massiv, forgrundsgalakse, som forudsagt af Einsteins teori om generel relativitet. Dette får baggrundsgalaksen til at fremstå som flere forstørrede billeder, der omgiver forgrundegalaksen. Kredit: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), L. Calçada (ESO), Y Hezaveh et al.
Disse nyligt opdagede galakser skinner ud af energien fra over hundrede billioner solskinner, hvordan de mest massive galakser i vores kosmiske kvarter så ud i deres stjerneskabende ungdom. ”Det synes jeg er ret forbløffende,” siger Joaquin Vieira, en postdoktor ved Caltech og leder af studiet. ”Dette er ikke normale galakser. De dannede stjerner i en ekstraordinær hastighed, da universet var meget ung - vi var meget overraskede over at finde galakser som denne så tidligt i universets historie. ”
Astronomerne fandt snesevis af disse galakser med South Pole Telescope (SPT), en 10 meter skål i Antarktis, der overvåger himlen i millimeterbølgelængdelys - der er mellem radiobølger og infrarødt på det elektromagnetiske spektrum. Holdet kiggede derefter et mere detaljeret kig ved hjælp af den nye Atacama Large Millimeter Array (ALMA) i Chiles Atacama-ørken.
De nye observationer repræsenterer nogle af ALMAs mest markante videnskabelige resultater endnu, siger Vieira. ”Vi kunne ikke have gjort dette uden kombinationen af SPT og ALMA,” tilføjer han. ”ALMA er så følsom, det vil ændre vores syn på universet på mange forskellige måder.”
Astronomerne brugte kun de første 16 af de 66 retter, der til sidst vil danne ALMA, som allerede er det mest kraftfulde teleskop, der nogensinde er konstrueret til at observere ved millimeter- og submillimeterbølgelængder.
Med ALMA fandt astronomerne, at mere end 30 procent af starburst-galakserne er fra en periode, kun 1,5 milliarder år efter big bang. Tidligere var det kun kendt, at ni sådanne galakser eksisterede, og det var ikke klart, om galakser kunne producere stjerner med så høje priser så tidligt i den kosmiske historie. Med de nye opdagelser er antallet af sådanne galakser næsten fordoblet, hvilket giver værdifulde data, der vil hjælpe andre forskere med at begrænse og forfine teoretiske modeller for dannelse af stjerne og galakse i det tidlige univers.
En af de SPT-opdagede kilder observeret af ALMA og Hubble-rumteleskopet (HST). Den massive centrale galakse (i blåt, set af HST) bøjer lyset fra en fjernere galakse, der er lys i submillimeterbølgelængder, og danner et ringlignende billede af baggrundsgalaksen, som er observeret af ALMA (rød).
Kredit: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), J. Vieira et al.
Men hvad der er særligt specielt ved de nye fund, siger Vieira, er, at holdet bestemte den kosmiske afstand til disse støvede stjerneudbrudte galakser ved direkte at analysere det stjernedannende støv i sig selv. Tidligere måtte astronomer stole på en besværlig kombination af indirekte optiske og radioobservationer ved hjælp af flere teleskoper til at studere galakserne. Men på grund af ALMAs hidtil uset følsomhed kunne Vieira og hans kolleger foretage deres afstandsmålinger i et trin, siger han. De nyligt målte afstande er derfor mere pålidelige og giver den reneste prøve endnu af disse fjerne galakser.
Målingerne blev også muliggjort på grund af disse uniks egenskaber, siger astronomerne. For det første blev de observerede galakser valgt, fordi de kunne linseres på tyngdepunktet - et fænomen forudsagt af Einstein, hvor en anden galakse i forgrunden bøjer lyset fra baggrundsgalaksen som et forstørrelsesglas. Denne linseeffekt får baggrundsgalakser til at virke lysere og reducerer den mængde teleskoptid, der er nødvendig for at observere dem med 100 gange.
En af de SPT-opdagede kilder observeret af ALMA og Hubble-rumteleskopet (HST). Den massive centrale galakse (i blåt, set af HST) bøjer lyset fra en fjernere galakse, der er lys i submillimeterbølgelængder, og danner et ringlignende billede af baggrundsgalaksen, som er observeret af ALMA (rød).
Kredit: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), J. Vieira et al.
For det andet udnyttede astronomerne et vellykket træk i disse galaksernes spektre - som er regnbuen for lys, de udsender - kaldet "negativ K-korrektion." Normalt ser galakser svagere, længere væk de er - på samme måde som en lyspære ser svagere ud, jo længere væk det er. Men det viser sig, at det ekspanderende univers skifter spektre på en sådan måde, at lys i millimeterbølgelængder ikke synes svagere i større afstande. Som et resultat vises galakserne lige så lyse i disse bølgelængder, uanset hvor langt de er - som en magisk lyspære, der vises lige så lys uanset hvor fjern den er.
”For mig er disse resultater virkelig spændende, fordi de bekræfter forventningen om, at når ALMA er fuldt tilgængeligt, kan det virkelig give astronomer mulighed for at undersøge stjernedannelse helt op til kanten af det observerbare univers,” siger Fred Lo, der mens ikke en deltager i undersøgelsen, var for nylig en Moore Distinguished Scholar ved Caltech. Lo er en fremtrædende astronom og direktør emeritus ved National Radio Astronomy Observatory, den nordamerikanske partner af ALMA.
Derudover hjælper astronomer med at kortlægge det mørke stof - den mystiske usynlige masse, der udgør næsten en fjerdedel af universet - i forgrundens galakser, hvis man observerer gravitationslinsevirkningen. ”At lave kort i høj opløsning af den mørke stof er en af de fremtidige retninger for dette arbejde, som jeg synes er særligt cool,” siger Vieira.
Disse resultater repræsenterer kun ca. en fjerdedel af det samlede antal kilder, der er opdaget af Vieira og hans kolleger med SPT, og de forventer at finde yderligere fjerne, støvede, stjerneburst galakser, når de fortsat analyserer deres datasæt. Det ultimative mål for astronomer, siger Lo, er at observere galakser på alle bølgelængder gennem universets historie og sammenlægge den komplette historie om, hvordan galakser har dannet sig og udviklet sig. Indtil videre har astronomer gjort meget fremskridt med at skabe computermodeller og simuleringer af dannelse af tidlig galakse, siger han. Men kun med data - som disse nye galakser - vil vi nogensinde virkelig samle den kosmiske historie. ”Simuleringer er simuleringer,” siger han. "Det, der virkelig tæller, er, hvad du ser."
Kunstnerens indtryk af en af de SPT-opdagede kilder baseret på observationer fra ALMA og Hubble-rumteleskopet (HST). Den massive centrale galakse (i blåt, set af HST) bøjer lyset fra en fjernere galakse, der er lys i submillimeterbølgelængder, og danner et ringlignende billede af baggrundsgalaksen, som er observeret af ALMA (rød). Kredit: Y. Hezaveh
Foruden Vieira er de andre Caltech-forfattere på Nature-papiret Jamie Bock, professor i fysik; Matt Bradford, besøgende i fysik; Martin Lueker-Boden, postdoktor i fysik; Stephen Padin, seniorforsker inden for astrofysik; Erik Shirokoff, en postdoktor i astrofysik ved Keck Institute for Space Studies; og Zachary Staniszewski, en fysisk besøgende. Der er i alt 70 forfattere på papiret, der har titlen "Høj rødskiftede, støvede, stjernebarstgalakser afsløret ved gravitationslinsering." Denne forskning blev finansieret af National Science Foundation, Kavli Foundation, Gordon og Betty Moore Foundation, NASA, det naturvidenskabelige og tekniske forskningsråd i Canada, programmet for canadiske forskerstole og det canadiske institut for avanceret forskning.
Arbejdet med at måle afstandene til galakserne er beskrevet i Astrophysical Journal-papiret “ALMA redshifts of millimeter-select galaxies from SPT survey: The redshift distribution of dusty star-forming galaxies,” af Axel Weiss fra Max-Planck-Institut für Radioastronomie og andre. Undersøgelsen af gravitationslinsering er beskrevet i Astrophysical Journal-papiret "ALMA-observationer af stærkt linsede støvede stjernedannende galakser" af Yashar Hezaveh fra McGill University m.fl.
ALMA, en international astronomifacilitet, er et partnerskab mellem Europa, Nordamerika og Østasien i samarbejde med Republikken Chile. ALMA-byggeri og -operationer ledes på vegne af Europa af European Southern Observatory (ESO) organisation, på vegne af Nordamerika af National Radio Astronomy Observatory (NRAO), og på vegne af Østasien af National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ ). Det fælles ALMA-observatorium (JAO) giver den samlede ledelse og ledelse af konstruktion, idriftsættelse og drift af ALMA.
South Pole Telescope (SPT) er et 10 meter teleskop beliggende ved National Science Foundation (NSF) Amundsen-Scott South Pole Station, der ligger inden for en kilometer fra den geografiske sydpol. SPT er designet til at gennemføre lav-støj, højopløsningsundersøgelser af himlen ved millimeter- og submillimeterbølgelængder, med det særlige designmål at foretage ultresensitive målinger af den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB). Den første store undersøgelse med SPT blev afsluttet i oktober 2011 og dækker 2.500 kvadratgrader af den sydlige himmel i tre millimeterbølgende observationsbånd. Dette er det dybeste store millimeterbølgedatasæt, der eksisterede, og har allerede ført til mange banebrydende videnskabsresultater, herunder den første detektion af galakse-klynger gennem deres Sunyaev-Zel'dovich-effektunderskrift, den mest følsomme måling endnu på den lille CMB magtspektrum og opdagelsen af en befolkning af ultrabride, høj-rødskiftede, stjernedannende galakser. SPT finansieres primært af Afdelingen for polære programmer i NSFs geovidenskabsdirektorat. Delvis støtte ydes også af Kavli Institute for Cosmological Physics (KICP), et NSF-finansieret Physics Frontier Center; Kavli-fonden; og Gordon and Betty Moore Foundation. SPT-samarbejdet ledes af University of Chicago og inkluderer forskergrupper ved Argonne National Laboratory, Californien Teknologiske Institut, Cardiff University, Case Western Reserve University, Harvard University, Ludwig-Maximilians-Universität, Smithsonian Astrophysical Observatory, McGill University, University of Arizona, University of California i Berkeley, University of California at Davis, University of Colorado at Boulder og University of Michigan, samt individuelle videnskabsfolk ved flere andre institutioner, herunder det europæiske sydlige observatorium og Max -Planck-Institut für Radioastronomie i Bonn, Tyskland.
Via CalTech