GMRT måler den atomare brintgasmasse i galakser for 9 milliarder år siden

Et hold af astronomer fra National Center for Radio Astrophysics (NCRA-TIFR) i Pune, og Raman Research Institute (RRI), i Bangalore, har brugt Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) til at måle det atomare indhold af brintgas i galakser for 9 milliarder år siden, i det unge univers. Dette er den tidligste epoke i universet, for hvilken der er en måling af det atomare hydrogenindhold i galakser. Det nye resultat er en afgørende bekræftelse af gruppens tidligere resultat, hvor de havde målt det atomare hydrogenindhold i galakser for 8 milliarder år siden, og skubber vores forståelse af galakser til endnu tidligere i universet. Den nye forskning er offentliggjort i 2. juni 2021-udgaven af The Astrophysical Journal Letters .

Galakser består for det meste af gas og stjerner, med nye stjerner, der dannes af den eksisterende gas i løbet af en galakses levetid. Stjerner dannedes meget hyppigere, da universet var ungt, end de gør i dag. Astronomer har i mere end to årtier vidst, at stjernedannelsesaktiviteten i galakser var på sit højeste for omkring 8-10 milliarder år siden, og er derefter faldet støt. Indtil for nylig, Årsagen til dette fald var ukendt, mest fordi vi ikke har haft nogen oplysninger om mængden af ​​atomær brintgas, det vigtigste brændstof til stjernedannelse, i galakser på disse tidlige tidspunkter. Dette ændrede sig sidste år, da et hold af astronomer fra NCRA og RRI, herunder nogle af forfatterne fra denne undersøgelse, brugte den opgraderede GMRT til at opnå den første måling af det atomare hydrogengasindhold i galakser for omkring 8 milliarder år siden, da stjernedannelsesaktiviteten i universet begyndte at falde. De fandt ud af, at den sandsynlige årsag til faldet i stjernedannelsen i galakser er, at galakserne var ved at løbe tør for brændstof.

Aditya Chowdhury, en ph.d. studerende ved NCRA-TIFR, og hovedforfatteren af ​​både den nye undersøgelse og den fra 2020, sagde, "Vores nye resultater er for galakser på endnu tidligere tidspunkter, men stadig mod slutningen af ​​epoken med maksimal stjernedannelsesaktivitet. Vi finder ud af, at galakser for 9 milliarder år siden var rige på atomgas, med næsten tre gange så meget masse i atomgas som i stjerner. Dette er meget anderledes end galakser i dag som Mælkevejen, hvor gasmassen er næsten ti gange mindre end massen i stjerner."

Målingen af ​​den atomære brintgasmasse blev udført ved at bruge GMRT til at søge efter en spektrallinje i atomart brint, som kun kan detekteres med radioteleskoper. Desværre, dette 21 cm signal er meget svagt, og derfor næsten umuligt at opdage fra individuelle galakser på så store afstande, omkring 30 milliarder lysår fra os, selv med kraftige teleskoper som GMRT. Holdet brugte derfor en teknik kaldet 'stabling' for at forbedre følsomheden. Dette gjorde det muligt for dem at måle det gennemsnitlige gasindhold på næsten 3, 000 galakser, ved at kombinere deres 21 cm signaler.

"Observationerne af vores undersøgelse blev udført for omkring 5 år siden, før GMRT blev opgraderet i 2018. Vi brugte de originale modtagere og elektronikkæden af ​​GMRT før dens opgradering, som havde en smal båndbredde. Vi kunne derfor kun dække et begrænset antal galakser; det er derfor vores nuværende undersøgelse dækker 3000 galakser, i forhold til de 8, 000 galakser af vores 2020-undersøgelse med den bredere båndbredde af den opgraderede GMR, " sagde Nissim Kanekar fra NCRA-TIFR, medforfatter til undersøgelsen.

Barnali Das, endnu en ph.d. studerende fra NCRA-TIFR, tilføjet, "Selvom vi havde færre galakser, vi øgede vores følsomhed ved at observere i længere tid, med næsten 400 timers observationer. Den store mængde data betød, at analysen tog lang tid.«

"Stjernedannelsen i disse tidlige galakser er så intens, at de ville forbruge deres atomare gas på kun to milliarder år. Og, hvis galakserne ikke kunne få mere gas, deres stjernedannelsesaktivitet ville falde, og endelig ophøre." sagde Chowdhury. "Det forekommer således sandsynligt, at årsagen til den faldende stjernedannelse i universet simpelthen er, at galakser ikke var i stand til at genopbygge deres gasreservoirer efter en epoke, sandsynligvis fordi der ikke var nok gas tilgængelig i deres miljøer."

"Reproducerbarhed er grundlæggende for videnskaben! Sidste år, vi rapporterede den første måling af det atomare gasindhold i sådanne fjerne galakser. Med det nuværende resultat, ved hjælp af et helt andet sæt modtagere og elektronik, vi har nu to uafhængige målinger af den atomare gasmasse i disse tidlige galakser. Det ville have været svært at tro, selv for få år siden, " sagde Kanekar.

K.S. Dwarakanath fra RRI, en medforfatter til undersøgelsen, nævnte "Detektion af 21 cm-signalet fra fjerne galakser var det oprindelige hovedmål for GMRT, og fortsætter med at være en vigtig videnskabelig drivkraft for at bygge endnu mere kraftfulde teleskoper som Square Kilometer Array. Disse resultater er ekstremt vigtige for vores forståelse af galakseudviklingen."