Sporing af det kosmiske net med stjernedannende galakser i det fjerne univers

En forskergruppe ledet af Hiroshima University har afsløret et billede af den stigende andel af massive stjernedannende galakser i det fjerne univers. Massive stjernedannende galakser i det fjerne univers, for omkring 5 milliarder år siden, spore storskala struktur i universet. I det nærliggende univers, for omkring 3 milliarder år siden, massive stjernedannende galakser er ikke synlige. Denne ændring i den måde, stjernedannende galakser sporer stoffordelingen på, er i overensstemmelse med billedet af galakseudviklingen, som er etableret af andre uafhængige undersøgelser.

Galakser i universet sporer mønstre i meget store skalaer; der er store tomme områder (kaldet "tomrum") og tætte områder, hvor galakserne eksisterer. Denne fordeling kaldes det kosmiske web. De mest massive koncentrationer af galakser er hobe. Dannelsen af ​​det kosmiske væv er styret af tyngdekraftens indvirkning på det usynlige mystiske "mørke stof", der eksisterer i hele universet. Det normale baryoniske materiale, man kan se, falder ned i haloerne af mørkt stof og danner galakser. Tyngdekraftens virkning gennem universets omkring 14 milliarder års historie får glorierne til at klynge sig sammen. Placeringen af ​​galakser eller klynger i dette enorme kosmiske net tester vores forståelse af den måde, strukturen opstår i universet.

I stigende grad, dybere og mere omfattende observationer med teleskoper som Subaru Telescope giver et klarere billede af den måde, galakser udvikler sig inden for det kosmiske web. Selvfølgelig, man kan ikke se det mørke stof direkte. Imidlertid, man kan bruge de galakser, der ses, til at spore det mørke stof. Det er også muligt at bruge den måde, hvorpå tyngdekraften af ​​galaksehobe forvrænger fjernere baggrundsgalakser, svag gravitationslinser, som et andet sporstof.

Hiroshima-gruppen kombinerede disse to sporstoffer:galakser og deres svage linsesignal for at kortlægge den skiftende rolle for massive stjernedannende galakser, efterhånden som universet udvikler sig.

Svag linsedannelse er et fænomen, der giver en kraftfuld teknik til at kortlægge det skiftende bidrag fra stjernedannende galakser som spor af det kosmiske web. Galaksehoben og omgivende mørkt stof-halo fungerer som en gravitationslinse. Linsen bøjer lyset, der passerer igennem fra fjernere galakser, og forvrænger billederne af dem. Forvrængningerne af baggrundsgalaksernes udseende giver et todimensionelt billede af forgrundsfordelingen af ​​mørkt stof, der fungerer som en enorm linse. Den fremragende billeddannelse af Subaru-teleskopet, der dækker store områder af himlen, giver præcis de data, der er nødvendige for at konstruere kort over denne svage linse.

Dr. Yousuke Utsumi, et medlem af Hyper Suprime-Cam-bygningsteamet og en projektassistent ved Hiroshima University, foretog en 1-times observation af en 4-graders 2-grad himmel i retning af stjernebilledet Cancer. Figur 1 viser et nærbillede af en galaksehob med det svage linsekort, der sporer stoffordelingen. De højeste toppe på kortene svarer til forgrundens massive hobe af galakser, der ligger 5 milliarder lysår væk.

For at kortlægge den tredimensionelle fordeling af forgrundsgalakserne, spektrografer på store teleskoper som 6,5 meter MMT spreder lyset med et gitter. Udvidelsen af ​​universet flytter lyset til det røde og ved at måle dette skift måler man afstandene til galakserne. Ved hjælp af spektroskopi placeres galakserne i det kosmiske net. Observationerne lokaliserer stjernedannende galakser og dem, der ikke længere danner stjerner.

Samarbejdspartnere ledet af Dr. Margaret Geller (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) udførte spektroskopiske målinger for galakser. Hectospec-instrumentet på MMT muliggør målinger af rødforskydninger for 250 galakser ad gangen. Undersøgelsen indeholder målinger for 12, 000 galakser.

MMT-rødforskydningsundersøgelsen giver kortet for, hvordan alle typer galakser kan bidrage til det svage linsekort. Fordi MMT-undersøgelsen giver afstande til galakserne, udsnit af kortet i forskellige afstande svarende til forskellige epoker i universets historie kan også laves og sammenlignes med linsekortet.

MMT-undersøgelsen giver et forudsagt kort over det kosmiske web baseret på positionerne af galakser i det tredimensionelle rum. Forskerholdet sammenlignede dette kort med det svage linsekort for at opdage lighederne. Figur 2 viser, at både den højeste top og de største tomme områder ligner hinanden i de to kort. Med andre ord, stoffordelingen sporet af forgrundsgalakserne og fordelingen sporet af Subarus svage linsekort er ens. Der er to komplementære visninger af det kosmiske web i denne del af universet.

Hvis de skærer det tredimensionelle kort op i forskellige rødforskydninger eller tidsskiver, de kan undersøge, hvordan korrespondancen mellem disse kort og det svage linsekort ændrer sig for forskellige udsnit (figur 3). Bemærkelsesværdigt, fordelingen af ​​stjernedannende galakser omkring en galaksehob i det fjernere univers (for 5 milliarder år siden) svarer meget tættere til det svage linsekort end et udsnit af det mere nærliggende univers (for 3 milliarder år siden). Med andre ord, stjernedannende galaksers bidrag til det kosmiske net er mere fremtrædende i det fjerne univers. Disse kort er den første demonstration af denne effekt i det svage linsesignal (figur 4).

Forskerholdet giver et nyt vindue til galakseudviklingen ved at sammenligne den tredimensionelle galaksefordeling kortlagt med en rødforskydningsundersøgelse, herunder stjernedannende galakser, med et kort med svag linse baseret på Subaru-billeddannelse.

"Det viser sig, at bidraget fra stjernedannende galakser som spor efter massefordelingen i det fjerne univers ikke er ubetydeligt, " sagde Dr. Utsumi. "HSC-kortet med svag linse bør indeholde signaler fra fjernere galakser i det 8 milliarder år gamle univers. Dybere rødforskydningsundersøgelser kombineret med lignende svage linsekort skulle afsløre et endnu større bidrag fra stjernedannende galakser som spor efter stoffordelingen i dette højere rødforskydningsområde. Ved at bruge næste generations spektrograf til Subaru-teleskopet, Prime Focus Spectrograph (PFS), vi håber at udvide vores kort til den interessante æra."