Detekterer det intense grønne skær fra de yngste galakser for at bestemme galaktisk evolution

Galakser i det unge univers dannede stjerner med 10 til 50 gange højere hastigheder end deres nutidige modstykker, såsom vores Mælkevej. En nylig undersøgelse har fundet ud af, at de ikke blot var opskalerede versioner af stjernedannende områder, der ses i dag. I stedet, UCLA-professor Matthew Malkan og flere samarbejdspartnere har fundet ud af, at de tidligste galakser var ved at blive "grønne".

"Opdagelsen af, at unge galakser er så uventet lyse - hvis du leder efter dette karakteristiske grønne lys - vil dramatisk ændre og forbedre den måde, vi studerer galaksedannelse på gennem universets historie, " sagde Malkan.

Astronomerne opdagede et overraskende antal fjerne galakser, hvor den stærkeste emissionslinje er fra dobbeltioniseret ilt. Dens bølgelængde i det grønne område af det elektromagnetiske spektrum giver den slående farve, der også ses i såkaldte "planetariske" tåger (forkert navngivet, fordi deres grønlige farve ligner den på planeterne Uranus og Neptun, men af ​​helt andre årsager).

Dette var overraskende, fordi de nuværende stjernedannende områder, som den nærliggende Orion-tåge, give en lyserød glød, som kommer fra brintatomer - det klart mest udbredte grundstof i universet. Nyfødte stjerner er indlejret i de gasskyer, som de for nylig blev født ud af. Ultraviolette fotoner fra de unge stjerner bestråler atomerne i gassen, får dem til at varme op og miste elektroner - en proces kaldet fotoionisering. Denne varme ioniserede gas udsender derefter et karakteristisk mønster af lysfarver. Den stærkeste farve er næsten altid det lyserøde lys fra opvarmede brintatomer.

Men noget usædvanligt foregik i de tidlige generationer af stjernedannelse, kun en eller to milliarder år efter Big Bang. Iltatomerne i deres omgivende gasskyer har mistet to elektroner, frem for den sædvanlige. At slå den anden elektron af kræver meget energi. Dette kan kun gøres af ekstremt energiske fotoner (næsten inden for røntgenområdet). Få sådanne højenergifotoner produceres af de unge stjerner, der i dag ses i Orion eller andre steder i Mælkevejen eller andre moderne galakser.

De ER produceret af et par meget varmere stjerner, såsom dem, der kortvarigt findes i centrum af "planetariske" tåger (højre fotografi ovenfor). Men sådanne ekstreme forhold ses kun i hele galaksen i mindre end en hundrededel af en procent af galakserne i dag. Kaldt "grønne ærter, " disse grønlige dværg starburst-galakser blev opdaget af Galaxy Zoo-projektet. Forklaringen på, hvorfor det unge univers blev grønt - men derefter stoppede - er stadig under intensiv undersøgelse. Malkan og kolleger formoder, at det skyldes, at unge stjerner var varmere i de tidligere faser af galakseudviklingen. Flere af dem lignede effektivt de meget varme (T> 50, 000°C) centrale stjerner i planetariske tåger (men med meget forskellig oprindelse).

En nylig analyse af mange tusinde fjerne galakser i Subaru Deep Field med kandidatstuderende Daniel Cohen fandt ud af, at ALLE små galakser er overraskende stærke udsender af den grønne emissionslinje af dobbeltioniseret ilt. Ved at beregne et gennemsnit af data for et så stort antal galakser, de opnåede de første nøjagtige målinger af dværggalakserne, som er ekstremt svage, men langt den mest almindelige i det unge univers. Den medfølgende figur viser et gennemsnit på 1, 294 af disse galakser ved en rødforskydning på z =3. Disse er observeret 2 milliarder år efter Big Bang, da universet var 70 gange tættere end i dag. "O++ emissionslinjen (som falder mellem de to lodrette stiplede linjer) er så stærk, at den endda forvrænger hele den infrarøde del af galaksespektret, som ellers er stjernelys, " sagde Malkan.

Den kommende generation af rumteleskoper til kosmologiske undersøgelser vil snart gå efter dette grønne. I særdeleshed, opsendelsen af ​​NASAs James Webb-rumteleskop i 2018, efterfulgt af deres WFIRST i 2024 og 2020-forløberen fra European Space Agency, EUCLID, er alle designet til at undersøge galakser i det unge univers gennem denne grønne O++ emissionslinje.

Ved de høje rødforskydninger af interesse, set i de første 500 millioner år siden Big Bang, denne "grønne" linje flyttes endnu længere ind i det infrarøde bølgelængdeområde, sagde Malkan. Kulden, mørke omgivelser i disse teleskoper, og deres nye detektorer, er meget optimeret til at give hidtil uset spektroskopisk følsomhed over for den stærke O++-emission ved disse infrarøde bølgelængder.

"Denne ene linje vil være den mest kraftfulde sonde for galaksedannelse, så snart galakser danner deres første stjerner og supernovaer til at producere iltatomer, " sagde Malkan. "At opdage og studere den intense grønne glød fra de yngste galakser (skiftet ind i det infrarøde) ligner nu vores bedste mulighed for at lære, hvordan de første galakser udviklede sig."

Malkan diskuterer denne forskning i dag på det 229. møde i American Astronomical Society i Grapevine, Texas.