Astronomer observerer tidlige stadier af Mælkevejslignende galakser i det fjerne univers

I årtier, astronomer har fundet fjerne galakser ved at detektere den karakteristiske måde, deres gas absorberer lys fra en lys kvasar i baggrunden. Men bestræbelser på at observere lyset udsendt af disse samme galakser har for det meste været mislykkede. Nu, et hold af astronomer, der bruger Atacama Large Millimeter Array (ALMA) i Chile, har observeret emissioner fra to fjerne galakser, som oprindeligt blev opdaget af deres kvasarabsorptionssignaturer, og resultaterne var ikke, som de havde forventet.

For én ting, emissioner drevet af stjernedannelse i galakserne blev adskilt af en overraskende afstand fra den tætte gas afsløret af kvasarabsorption, hvilket indikerer, at galakserne er indlejret i en udvidet halo af brintgas. De estimerede stjernedannelseshastigheder var også uventet høje.

"Vi havde forventet, at vi ville se svage emissioner lige oven på kvasaren, og i stedet så vi lyse galakser ved store afstande fra kvasaren, " sagde J. Xavier Prochaska, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz og medforfatter til et papir om de nye resultater offentliggjort 24. marts i Videnskab .

Den neutrale brintgas, der afsløres ved dens absorption af kvasarlys, er højst sandsynligt en del af en stor halo eller en forlænget gasskive omkring galaksen, sagde førsteforfatter Marcel Neeleman, en postdoc ved UC Santa Cruz. "Det er ikke der, hvor stjerneformationen er, og at se så meget gas, at langt fra det stjernedannende område betyder, at der er en stor mængde neutralt brint omkring galaksen, " sagde Neeleman. "Vi ved ikke, om det er i en stor, forlænget skive af gas, der falder ind, eller hvis det bare er en virkelig tæt glorie af gas omkring galaksen."

Emissionsspektret fra en af ​​galakserne indikerer tilstedeværelsen af ​​en roterende skive, Prochaska bemærkede. "Disse galakser ser ud til at være massive, støvet, og hurtigt stjernedannende systemer, med store, udvidede lag af gas, " sagde han. "Disse observationer giver os et fantastisk indblik i, hvordan galakser som vores Mælkevej så ud for 13 milliarder år siden."

For Prochaska, papiret repræsenterer kulminationen på en mission, han begyndte i 2003 med sin ph.d. rådgiver hos UC San Diego, afdøde Arthur M. Wolfe (også medforfatter på papiret). Wolfe var banebrydende for brugen af ​​kvasarspektre til at studere koncentrationer af neutral brintgas i det fjerne univers, kendt som dæmpede Lyman-alpha (DLA) systemer på grund af de karakteristiske absorptionsegenskaber, som brintgassen præger lyset fra baggrundsquasaren. Wolfe så også potentialet for ALMA til at detektere emissioner fra disse systemer længe før radioobservatoriets færdiggørelse i 2011.

"Vi har ønsket at gøre det her i 14 år, " sagde Prochaska. "Den 'hellige gral' har været at identificere og studere de galakser, der er vært for den brintgas, vi ser i kvasarspektre, og det krævede et anlæg med ALMA's evne til at gøre det."

Forskerne brugte ALMA til at lede efter fjerninfrarøde emissionssignaturer fra galakserne, som de vidste kunne skelnes fra kvasarernes skarpe lys. Ioniseret kulstof udsender en lys spektral linje ved en karakteristisk bølgelængde i det infrarøde (158 mikron), som astronomer kan bruge som spor efter galaktisk struktur i det fjerne univers. Forskerne observerede også emissioner fra støv i det fjerne infrarøde, hvilket gjorde det muligt for dem at estimere stjernedannelseshastigheder.

ALMAs konfigurerbare række af radioantenner gjorde det muligt for astronomerne at fokusere deres søgen efter galakseemissioner i området omkring hver af to DLA'er, beliggende i en afstand af omkring 13 milliarder lysår. Fra den afstand, lyset, der nu når teleskoper, giver astronomer et glimt på et tidligt stadie af galaksedannelsen, omkring 1 milliard år efter big bang.

"Dette er epoken, hvor galakser for alvor begyndte at tage fart med hensyn til stjernedannelse - en slags teenagers vækstspurt, før de nåede toppen af ​​stjernedannelsen omkring 2 milliarder år senere, " sagde Prochaska.

Observationerne indikerer, at begge galakser danner stjerner med moderat høje hastigheder, med en stjernedannelseshastighed på mere end 100 solmasser om året for den ene galakse og omkring 25 solmasser om året for den anden. Adskillelsen fra kvasaren var omkring 137, 000 lysår (42 kiloparsecs) for en galakse og omkring 59, 000 lysår (18 kiloparsecs) for den anden.

Ifølge Neeleman, astronomer har antaget, at det er svært at detektere lys udsendt af de galakser, der er vært for DLA'er, fordi det er skjult i det intense lys fra baggrundskvasarerne. I betragtning af den store adskillelse af disse galakser fra deres tilknyttede kvasarer, imidlertid, det kan være, at de i stedet er skjult af støv, han sagde. med ALMA, forskerne var i stand til at detektere stjernelyset absorberet og genudstrålet ved længere bølgelængder af støvet.

Prochaska sagde, at han ser frem til at opnå lignende observationer af en meget større prøve af galakser i løbet af de næste par år.