Elever opdager en lysende galakse i det tidlige univers

Nattehimlen er en naturlig tidsmaskine, brugt af kosmologer til at udforske universets oprindelse og udvikling. At nå ind i dybet af fortiden, en klasse af bachelorstuderende ved University of Chicago søgte at gøre det samme - og afslørede en ekstraordinært fjern galakse i det tidlige kosmos.

Lys, der udsendes fra fjerne himmellegemer, tager lang tid at nå observatører på Jorden. Det betyder, at de stjerner og galakser, vi ser på himlen, fremstår for os, som de ville have eksisteret millioner af mennesker, eller endda milliarder, år siden.

Den opdagede galakses lys kommer fra en tid, hvor universet kun var 1,2 milliarder år gammelt, omkring en tiendedel af sin nuværende alder. På dette tidspunkt, den unge galakse havde allerede akkumuleret en masse, der var imponerende sammenlignelig med den nuværende version af vores hjemmegalakse, Mælkevejen.

"Denne galakse, som vi har observeret, ved at se ud og tilbage i fortiden, er allerede blevet voksen. Det har allerede dannet næsten en Mælkevejs stjerner, " sagde Michael Gladders, en professor i UChicagos afdeling for astronomi og astrofysik. "Det er ret modent, men på et meget tidligere stadium i universet."

Opdagelsen var en klimatisk milepæl i den første iteration af et feltkursus udviklet til den nye astrofysik-major, der tilbydes af UChicago. Studerende i to-kvartklassen dannede et nyt forskningssamarbejde, KØLE-LAMPER, og undersøgte offentlige billeddatabaser på jagt efter linsede galakser. Det bemærkelsesværdige fund blev bekræftet af observationer fra jordbaserede instrumenter:Magellan-teleskoperne i Chile og Gemini North-teleskopet på Hawaii.

"Naturens teleskop"

En linsegalakse er en, hvis udsendte lys er blevet bøjet af tyngdekraften af ​​et massivt objekt, der ligger mellem galaksen og observationspunktet. Denne effekt, kendt som gravitationslinser, skaber en forvrænget, bue-lignende billede af galaksen med en intenst forstørret lysstyrke.

Gladdere, som underviste i feltkurset i første halvdel af 2020, kalder gravitationslinser "naturens teleskop." "Det er en sjælden, ejendommelig form for fokusering og forstørrelse, der giver os mulighed for at studere galakser med meget større detaljer, end vi nogensinde normalt kunne, " han sagde.

Lys fra den opdagede galakse blev så kraftigt forstørret af en klynge af andre galakser i forgrunden, at det konkurrerede med billeder af himlen taget fra rummet.

"Dette var et jordbaseret teleskop, der tog data fra denne absolut smukke bue, " sagde Gourav Khullar, en UChicago Ph.D. kandidat, der fungerede som undervisningsassistent for feltkurset og er førsteforfatter til papiret, der beskriver resultaterne. "Det er cirka hundrede gange lysere end klassiske billeder af lignende fjerne galakser fra Hubble-rumteleskopet!"

En omfattende undersøgelse af stjernepopulationerne i denne galakse, udført af de studerendes samarbejdspartnere, konkluderede i erkendelsen af, at dette var den lyseste linsegalakse, der nogensinde er observeret i denne tidsperiode af det tidlige univers.

Uden gravitationslinser, selvom, den fjerne galakse ville virke meget svagere, hvis det overhovedet er synligt.

"Buen er blevet forstørret af den mellemliggende linse på en sådan måde, at den er ekstremt lysstærk, " sagde Khullar. "Men en udgave af galaksen uden linse ville ikke se sådan ud; det ville være meget svagere og slet ikke kunne detekteres af de nuværende jordbaserede faciliteter."

Trænger sig igennem pandemien

Feltkurset var designet til at give astrofysiske hovedfag et virkeligt liv, banebrydende forskningsmulighed. Oprindeligt beskeden i ambitioner, Gladders overbeviste afdelingen og kollegiet om at investere i en komplet feltoplevelse, inklusive et besøg på Magellan-teleskoperne for at deltage i astronomisk observationstid i løbet af forårsferien.

Men coronavirus-pandemien forpurrede disse planer, rive det væk, der var tænkt som klassens kerneoplevelse.

"Alt var booket, " sagde Gladders. "Jeg havde allerede arrangeret ture til andre observatoriesteder, byggepladser for at se teleskoper, der var ved at blive bygget, og at se selve Chile."

Midt i mørke tider, COOL-LAMPS-eleverne fortsatte med scanningen af ​​offentlige himmeldata, til sidst når deres lysende galaktiske opdagelse.

"For mig, det var et chok, at vi havde fundet noget så vigtigt, " sagde Emily Sisco, en fjerdeårs astrofysikstuderende, der deltog i feltkurset i løbet af det sidste akademiske år. "Alt det arbejde, vi havde lavet, førte til det øjeblik, men jeg var stadig chokeret!"

Spændende første resultater har tilskyndet COOL-LAMPS-samarbejdet til at forfølge observationstid for en anden bølge af undersøgelser. Planer er sat til at observere galaksen ved hjælp af jordbaserede teleskoper i New Mexico og Europa, samt to af NASA's kredsende rumteleskoper, Hubble og Chandra X-ray Observatory.

"Med billeddannelse med højere opløsning fra rummet, astronomer vil være i stand til at løse strukturen af ​​denne galakse, " sagde Ezra Sukay, der kom med i COOL-LAMPS-samarbejdet som tredjeårsstuderende i Højskolen. "Dette vil afsløre detaljer om stjernedannelse i meget massive galakser tidligt i universet."

Gladders forventede, at klassen på en eller anden måde var vellykket, men havde ikke forudset en galakse så usædvanligt lys, langt tilbage i tiden, eller moden som det blev opdaget. "Det er bare helt fantastisk, " sagde han. "Jeg er så stolt af dem - de har gjort et rigtig godt stykke arbejde."

I januar, Gladders vil begynde at undervise i en anden version af feltkurset, tilføje nye studerende til COOL-LAMPS, som vil fortsætte med at undersøge dannelsen og udviklingen af ​​galakser på tværs af kosmisk tid.

"Et af de store mål med at studere kosmos er at besvare det grundlæggende spørgsmål om, hvor vi kommer fra, " sagde Gladders. "Os som en art, men også den planet vi lever på, det solsystem, som planeten befinder sig i, og galaksen, som vores solsystem er i.

"Vi adresserer denne dybe længsel efter at forstå, hvor det hele kommer fra og i sidste ende, hvordan passer vi ind?"

COOL-LAMPS er en forkortelse for ChicagO Optisk udvalgte stærke linser—placeret ved kanten af ​​offentlige undersøgelser.