Astronomer bruger gigantiske galaksehobe som røntgenforstørrelseslinse

Astronomer ved MIT og andre steder har brugt en massiv klynge af galakser som et røntgenforstørrelsesglas til at kigge tilbage i tiden, til næsten 9,4 milliarder år siden. I processen, de så en lille dværggalakse i sin allerførste, højenergistadier af stjernedannelse.

Mens galaksehobe er blevet brugt til at forstørre objekter ved optiske bølgelængder, det er første gang, videnskabsmænd har udnyttet disse massive gravitationsgiganter til at zoome ind på ekstreme, fjern, Røntgenudsendende fænomener.

Det, de opdagede, ser ud til at være en blå plet af en spædbarnsgalakse, omkring 1/10, 000 på størrelse med vores Mælkevej, midt i at kværne sine første stjerner frem – supermassive, kosmisk kortlivede objekter, der udsender højenergi røntgenstråler, som forskerne opdagede i form af en lys blå bue.

"Det er denne lille blå klat, hvilket betyder, at det er en meget lille galakse, der indeholder en masse super-varmt, meget massive unge stjerner, der blev dannet for nylig, " siger Matthew Bayliss, en forsker ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Denne galakse ligner de allerførste galakser, der blev dannet i universet ... den slags, som ingen nogensinde har set i røntgenstråler i det fjerne univers før."

Bayliss siger, at opdagelsen af ​​denne single, fjern galakse er et bevis på, at forskere kan bruge galaksehobe som naturlige røntgenforstørrelsesglas, at udvælge ekstreme, meget energiske fænomener i universets tidlige historie.

"Med denne teknik, vi kunne, i fremtiden, zoom ind på en fjern galakse og aldersdater forskellige dele af den – for at sige, denne del har stjerner, der blev dannet for 200 millioner år siden, i forhold til en anden del, der blev dannet for 50 millioner år siden, og skille dem ad på en måde, du ellers ikke kan gøre, " siger Bayliss, som skal videre til University of Cincinnati som assisterende professor i fysik.

Han og hans medforfattere, inklusive Michael McDonald, assisterende professor i fysik ved MIT, har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Natur astronomi .

Et stearinlys i lyset

Galaksehobe er de mest massive objekter i universet, sammensat af tusindvis af galakser, alle bundet sammen af ​​tyngdekraften som en enorm, kraftig kraft. Galaksehobe er så massive, og deres tyngdekraft er så stærk, at de kan forvrænge rumtidens struktur, bøjer universet og alt omgivende lys, meget ligesom en elefant ville strække og fordreje et trapeznet.

Forskere har brugt galaksehobe som kosmiske forstørrelsesglas, med en teknik kendt som gravitationslinser. Ideen er, at hvis videnskabsmænd kan tilnærme massen af ​​en galaksehob, de kan estimere dens tyngdekraftsvirkninger på ethvert omgivende lys, samt den vinkel, hvormed en klynge kan aflede det lys.

For eksempel, tænk hvis en iagttager, vendt mod en galaksehob, forsøgte at opdage en genstand, såsom en enkelt galakse, bag den klynge. Lyset, der udsendes af det objekt, ville rejse lige mod klyngen, bøj derefter rundt om klyngen. Den ville fortsætte med at rejse mod observatøren, dog i lidt forskellige vinkler, fremstår for iagttageren som spejlbilleder af det samme objekt, som i sidste ende kan kombineres som en enkelt, "forstørret" billede.

Forskere har brugt galaksehobe til at forstørre objekter ved optiske bølgelængder, men aldrig i røntgenbåndet af det elektromagnetiske spektrum, hovedsageligt fordi galaksehobe selv udsender en enorm mængde røntgenstråler. Forskere har troet, at røntgenstråler fra en baggrundskilde ville være umulige at skelne fra klyngens eget genskin.

"Hvis du prøver at se en røntgenkilde bag en klynge, det er som at prøve at se et stearinlys ved siden af ​​et virkelig skarpt lys, " siger Bayliss. "Så vi vidste, at dette var en udfordrende måling at foretage."

X-ray subtraktion

Forskerne undrede sig:Kunne de trække det skarpe lys fra og se stearinlyset bag det? Med andre ord, kunne de fjerne røntgenstrålingen fra galaksehoben, at se de meget svagere røntgenstråler, der kommer fra en genstand, bagved og forstørret af klyngen?

Holdet testede denne idé med observationer taget af NASAs Chandra X-ray Observatory, et af verdens kraftigste røntgenrumteleskoper. De så især på Chandras målinger af Phoenix-klyngen, en fjern galaksehob beliggende 5,7 milliarder lysår fra Jorden, som er blevet anslået til at være omkring en kvadrillion gange så massiv som solen, med gravitationseffekter, der burde gøre det til en kraftfuld, naturlig forstørrelseslinse.

"Ideen er at tage hvad end dit bedste røntgenteleskop er - i dette tilfælde, Chandra – og brug en naturlig linse til at forstørre og effektivt gøre Chandra større, så du kan se fjernere ting, " siger Bayliss.

Han og hans kolleger analyserede observationer af Phoenix-klyngen, taget kontinuerligt af Chandra i over en måned. De så også på billeder af klyngen taget af to optiske og infrarøde teleskoper - Hubble-rumteleskopet og Magellan-teleskopet i Chile. Med alle disse forskellige synspunkter, holdet udviklede en model til at karakterisere klyngens optiske effekter, som gjorde det muligt for forskerne præcist at måle røntgenstrålingen fra selve klyngen, og trække det fra dataene.

De blev efterladt med to lignende mønstre af røntgenstråling omkring klyngen, som de fastslog var "linsede, " eller gravitationsbøjet, ved klyngen. Da de sporede emissionerne tilbage i tiden, de fandt ud af, at de alle stammede fra en enkelt, fjern kilde:en lille dværggalakse fra 9,4 milliarder år siden, da universet selv var omkring 4,4 milliarder år gammelt - omkring en tredjedel af dets nuværende alder.

"Tidligere Chandra havde kun set en håndfuld ting på denne afstand, " siger Bayliss. "På mindre end 10 procent af tiden, vi opdagede dette objekt, tilsvarende langt væk. Og gravitationslinser er det, der lader os gøre det."

Kombinationen af ​​Chandra og Phoenix-klyngens naturlige linsekraft gjorde det muligt for holdet at se den lille galakse gemme sig bag klyngen, forstørret omkring 60 gange. Ved denne beslutning, de var i stand til at zoome ind for at skelne to forskellige klumper i galaksen, den ene producerer mange flere røntgenstråler end den anden.

Da røntgenstråler typisk produceres under ekstreme, kortvarige fænomener, forskerne mener, at den første røntgenrige klump signalerer en del af dværggalaksen, der for ganske nylig har dannet supermassive stjerner, mens den mere stille region er en ældre region, der indeholder mere modne stjerner.

"Vi fanger denne galakse på et meget nyttigt tidspunkt, hvor det har disse virkelig unge stjerner, " siger Bayliss. "Hver galakse skulle starte i denne fase, men vi ser ikke mange af den slags galakser i vores eget nabolag. Nu kan vi gå tilbage i tiden, se i det fjerne univers, finde galakser i denne tidlige fase af deres liv, og begynd at studere, hvordan stjernedannelse er anderledes der."