ALMA opdager roterende spædbarnsgalakse ved hjælp af naturligt kosmisk teleskop

Ved at bruge Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), astronomer fandt en roterende babygalakse, der var 1/100 af størrelsen af ​​Mælkevejen på et tidspunkt, hvor universet kun var 7 procent af sin nuværende alder. Takket være hjælp fra gravitationslinseeffekten, holdet var i stand til for første gang at udforske naturen af ​​små og mørke "normale galakser" i det tidlige univers, repræsentant for hovedpopulationen i de første galakser, hvilket i høj grad fremmer vores forståelse af den indledende fase af galakseudviklingen.

"Mange af de galakser, der eksisterede i det tidlige univers var så små, at deres lysstyrke er et godt stykke under grænsen for de nuværende største teleskoper på Jorden og i rummet, gør det vanskeligt at studere deres egenskaber og indre struktur, " siger Nicolas Laporte, en Kavli Senior Fellow ved University of Cambridge. "Imidlertid, lyset der kommer fra galaksen RXCJ0600-z6, blev stærkt forstørret af gravitationslinser, hvilket gør det til et ideelt mål til at studere egenskaberne og strukturen af ​​en typisk babygalakse."

Gravitationslinser er et naturligt fænomen, hvor lys, der udsendes fra et fjernt objekt, bøjes af tyngdekraften af ​​et massivt legeme, såsom en galakse eller en galaksehob placeret i forgrunden. Navnet "gravitationel linse" er afledt af det faktum, at tyngdekraften af ​​det massive objekt virker som en linse. Når vi ser gennem en gravitationslinse, lyset fra fjerne objekter intensiveres, og deres former strækkes. Med andre ord, det er et "naturligt teleskop", der svæver i rummet.

ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS)-teamet brugte ALMA til at søge efter et stort antal galakser i det tidlige univers, som er forstørret ved gravitationslinser. Ved at kombinere kraften fra ALMA, ved hjælp af de naturlige teleskoper, forskerne er i stand til at afdække og studere svagere galakser.

Hvorfor er det afgørende at udforske de svageste galakser i det tidlige univers? Teori og simuleringer forudsiger, at størstedelen af ​​galakser dannet et par hundrede millioner år efter Big Bang er små, og dermed besvime. Selvom adskillige galakser i det tidlige univers tidligere er blevet observeret, de undersøgte var begrænset til de mest massive genstande, og derfor de mindre repræsentative galakser i det tidlige univers, på grund af teleskopets kapacitet. Den eneste måde at forstå standarddannelsen af ​​de første galakser, og få et komplet billede af galaksedannelsen, er at fokusere på de svagere og mere talrige galakser.

ALCS-holdet udførte et storstilet observationsprogram, der tog 95 timer, hvilket er meget lang tid for ALMA-observationer, at observere de centrale områder af 33 galaksehobe, der kan forårsage gravitationslinser. En af disse klynger, kaldet RXCJ0600-2007, er placeret i retning af stjernebilledet Lepus, og har en masse 1000 billioner gange Solens. Holdet opdagede en enkelt fjern galakse, der bliver påvirket af gravitationslinsen skabt af dette naturlige teleskop. ALMA opdagede lyset fra kulstofioner og stjernestøv i galaksen, og sammen med data taget med Gemini-teleskopet, fastslået, at galaksen ses, som den var omkring 900 millioner år efter Big Bang (for 12,9 milliarder år siden). Yderligere analyse af disse data antydede, at en del af denne kilde ses 160 gange lysere, end den er i sig selv.

Ved præcist at måle massefordelingen af ​​galaksehoben, det er muligt at "fortryde" gravitationslinseeffekten og genskabe det oprindelige udseende af det forstørrede objekt. Ved at kombinere data fra Hubble Space Telescope og European Southern Observatory's Very Large Telescope med en teoretisk model, holdet lykkedes med at rekonstruere den faktiske form af den fjerne galakse RXCJ0600-z6. Den samlede masse af denne galakse er omkring 2 til 3 milliarder gange Solens, som er omkring 1/100 af størrelsen på vores egen Mælkevejsgalakse.

Det, der overraskede holdet, er, at RXCJ0600-z6 roterer. Traditionelt, gas i de unge galakser mentes at have tilfældige, kaotisk bevægelse. Først for nylig har ALMA opdaget flere roterende unge galakser, der har udfordret den traditionelle teoretiske ramme, men disse var flere størrelsesordener lysere (større) end RXCJ0600-z6.

"Vores undersøgelse viser, for første gang, at vi direkte kan måle den indre bevægelse af sådanne svage (mindre massive) galakser i det tidlige univers og sammenligne det med de teoretiske forudsigelser", siger Kotaro Kohno, en professor ved University of Tokyo og lederen af ​​ALCS-teamet.

"Det faktum, at RXCJ0600-z6 har en meget høj forstørrelsesfaktor, rejser også forventninger til fremtidig forskning, " forklarer Seiji Fujimoto, en DAWN-stipendiat ved Niels Bohr Institutet. "Denne galakse er blevet udvalgt, blandt hundreder, skal observeres af James Webb Space Telescope (JWST), næste generations rumteleskop, der skal opsendes til efteråret. Gennem fælles observationer ved brug af ALMA og JWST, vi vil afsløre egenskaberne af gas og stjerner i en babygalakse og dens indre bevægelser. Når det tredive meter teleskop og det ekstremt store teleskop er færdige, de kan muligvis opdage klynger af stjerner i galaksen, og muligvis endda løse individuelle stjerner. Der er et eksempel på gravitationslinser, der er blevet brugt til at observere en enkelt stjerne 9,5 milliarder lysår væk, og denne forskning har potentialet til at udvide dette til mindre end en milliard år efter universets fødsel."

Disse observationsresultater blev præsenteret i Seiji Fujimoto et al. "ALMA Lensing Cluster Survey:Lyse [CII] 158 μm linjer fra en Multiply Imaged Sub-L* Galaxy ved z =6,0719" i Astrofysisk tidsskrift den 22. april, 2021, og Nicolas Laporte et al. "ALMA Lensing Cluster Survey:et stærkt linseret støvet system med flere billeder ved z> 6" i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society den 22. april, 2021.