Dobbeltgalakse mystificerer Hubble-astronomer

At se ind i universet er som at se ind i et funhouse-spejl. Det er fordi tyngdekraften forvrider rummets struktur, skabe optiske illusioner.

Mange af disse optiske illusioner opstår, når lyset i en fjern galakse forstørres, strakt, og lysere, når den passerer gennem en massiv galakse eller galaksehob foran sig. Dette fænomen, kaldet gravitationslinser, producerer flere, strakt, og lysne billeder af baggrundsgalaksen.

Dette fænomen gør det muligt for astronomer at studere galakser så fjerne, at de ikke kan ses andet end ved virkningerne af gravitationslinser. Udfordringen er at forsøge at rekonstruere de fjerne galakser ud fra de mærkelige former, der er produceret ved linse.

Men astronomer, der brugte Hubble-rumteleskopet, faldt over en sådan mærkelig form, mens de analyserede kvasarer, de flammende kerner af aktive galakser. De fik øje på to lyse, lineære objekter, der så ud til at være spejlbilleder af hinanden. Et andet mærkeligt objekt var i nærheden.

Funktionerne forvirrede astronomerne så, at det tog dem flere år at opklare mysteriet. Med hjælp fra to eksperter i gravitationslinser, forskerne fastslog, at de tre objekter var de forvrængede billeder af en fjern, uopdaget galakse. Men den største overraskelse var, at de lineære objekter var nøjagtige kopier af hinanden, en sjælden hændelse forårsaget af den præcise justering af baggrundsgalaksen og linse-klyngen i forgrunden.

Astronomer har set nogle ret mærkelige ting spredt ud over vores enorme univers, fra eksploderende stjerner til kolliderende galakser. Så, man skulle tro, at når de ser et mærkeligt himmelobjekt, de ville være i stand til at identificere det.

Men NASAs Hubble-rumteleskop afslørede, hvad der ser ud til at være et par identiske objekter, der ser så mærkelige ud, at det tog astronomer flere år at fastslå, hvad de er.

"Vi var virkelig forbløffede, " sagde astronom Timothy Hamilton fra Shawnee State University i Portsmouth, Ohio.

De ulige objekter består af et par galaksebuler (det centrale stjernefyldte nav i en galakse) og mindst tre næsten parallelle opdelte striber. Hamilton opdagede dem ved et uheld, mens han brugte Hubble til at undersøge en samling kvasarer, de flammende kerner af aktive galakser.

Efter at have jagtet blindgyde teorier, at søge hjælp fra kolleger, og laver en masse hovedskraber, Hamilton og det voksende team, ledet af Richard Griffiths fra University of Hawaii i Hilo, sammensæt endelig alle sporene for at løse mysteriet.

De lineære objekter var de strakte billeder af en fjerntliggende galakse med gravitationslinser, ligger mere end 11 milliarder lysår væk. Og, de så ud til at være spejlbilleder af hinanden.

Holdet opdagede, at den enorme alvor af en indgriben, og ukatalogiseret, forgrundsklynge af galakser fordrejede rummet, forstørrelse, lysende, og strækker billedet af en fjern galakse bag sig, et fænomen kaldet gravitationslinser. Selvom Hubble-undersøgelser afslører mange af disse funhouse-spejlforvrængninger forårsaget af gravitationslinser, dette objekt var enestående forvirrende.

I dette tilfælde, en præcis justering mellem en baggrundsgalakse og en forgrundsgalaksehob producerer to forstørrede kopier af det samme billede af den fjerntliggende galakse. Dette sjældne fænomen opstår, fordi baggrundsgalaksen skræver en krusning i rummets struktur. Denne "krusning" er et område med størst forstørrelse, forårsaget af tyngdekraften af ​​tætte mængder mørkt stof, den usete lim, der udgør det meste af universets masse. Mens lyset fra den fjerne galakse passerer gennem hoben langs denne krusning, der produceres to spejlbilleder, sammen med et tredje billede, der kan ses ud til siden.

Griffiths sammenligner denne effekt med de lyse bølgede mønstre, der ses på bunden af ​​en swimmingpool. "Tænk på den krusede overflade af en swimmingpool på en solskinsdag, viser mønstre af skarpt lys på bunden af ​​poolen, " forklarede han. "Disse lyse mønstre på bunden er forårsaget af en lignende slags effekt som gravitationslinser. Krusningerne på overfladen fungerer som delvise linser og fokuserer sollys til lyse snoede mønstre på bunden."

I den fjerne galakse med gravitationslinser, krusningen forstørrer meget og forvrænger lyset fra baggrundsgalaksen, der passerer gennem hoben. Krusningen fungerer som et ufuldkommen kurvet spejl, der genererer de dobbelte kopier.

Løsning af mysteriet

Men dette sjældne fænomen var ikke kendt, da Hamilton opdagede de mærkelige lineære træk i 2013.

Mens han så gennem kvasarbillederne, øjebliksbilledet af de spejlede billeder og parallelle striber skilte sig ud. Hamilton havde aldrig set noget lignende før, og ingen af ​​dem havde andre teammedlemmer.

"Min første tanke var, at de måske interagerede galakser med tidevandsudstrakte arme, " sagde Hamilton. "Det passede ikke rigtig godt, men jeg vidste ikke, hvad jeg ellers skulle tænke."

Så Hamilton og holdet begyndte deres søgen efter at løse mysteriet med disse fristende lige linjer, senere døbt Hamiltons Objekt for dets opdager. De viste det mærkelige billede til kolleger på astronomikonferencer, som fremkaldte en række reaktioner, fra kosmiske strenge til planetariske tåger.

Men så Griffiths, som ikke var medlem af det oprindelige team, tilbød den mest plausible forklaring, da Hamilton viste ham billedet ved et NASA-møde i 2015. Det var et forstørret og forvrænget billede forårsaget af et linsefænomen, der ligner dem, der ses på Hubble-billeder af andre massive galaksehobe, der forstærker billeder af meget fjerne galakser . Griffiths bekræftede denne idé, da han hørte om et lignende lineært objekt i en af ​​Hubbles dybe klyngeundersøgelser.

Forskerne, imidlertid, stadig havde et problem. De kunne ikke identificere linse-klyngen. Normalt, astronomer, der studerer galaksehobe, ser først forgrundshoben, der forårsager linseindsigten, og find derefter de forstørrede billeder af fjerne galakser i hoben. En søgning af billederne fra Sloan Digital Sky Survey afslørede, at en galaksehob befandt sig i samme område som de forstørrede billeder, men det dukkede ikke op i nogen katalogiseret undersøgelse. Alligevel, det faktum, at de mærkelige billeder var i centrum af en klynge, gjorde det klart for Griffiths, at klyngen producerede de linsede billeder.

Forskernes næste skridt var at afgøre, om de tre linsebilleder var på samme afstand, og derfor var alle de forvrængede portrætter af den samme fjerne galakse. Spektroskopiske målinger med Gemini- og W.M. Keck-observatorierne på Hawaii hjalp forskerne med den bekræftelse, viser, at de linsede billeder var fra en galakse, der ligger mere end 11 milliarder lysår væk.

Den fjerne galakse, baseret på en rekonstruktion af det tredje linsebillede, ser ud til at være en kant, spærret spiral med igangværende, klumpet stjernedannelse.

Omkring samme tid som de spektroskopiske observationer fra Griffiths og studerende i Hilo, en separat gruppe forskere i Chicago identificerede klyngen og målte dens afstand ved hjælp af Sloan-data. Klyngen ligger mere end 7 milliarder lysår væk.

Men, med meget lidt information om klyngen, Griffiths' team kæmpede stadig med, hvordan de skulle fortolke disse usædvanlige linseformer. "Denne gravitationslinse er meget forskellig fra de fleste af de linser, der tidligere blev undersøgt af Hubble, især i Hubble Frontier Fields undersøgelse af klynger, Griffiths forklarede. "Du behøver ikke at stirre længe på disse klynger for at finde mange linser. I dette objekt, dette er det eneste objektiv, vi har. Og vi vidste ikke engang om klyngen i starten."

Kortlægning af det usynlige

Det var da Griffiths ringede til en ekspert i gravitationel linse teori, Jenny Wagner fra universitetet i Heidelberg i Tyskland. Wagner havde studeret lignende genstande, og med kollega Nicolas Tessore, nu ved University of Manchester i England, udviklet computersoftware til fortolkning af unikke linser som denne. Deres software hjalp teamet med at finde ud af, hvordan alle tre linsebilleder blev til. De konkluderede, at det mørke stof omkring de strakte billeder skulle fordeles "jævnt" i rummet i små skalaer.

"Det er fantastisk, at vi kun har brug for to spejlbilleder for at få skalaen over, hvor klumpet eller ikke mørkt stof kan være i disse positioner, " sagde Wagner. "Her, vi bruger ingen linsemodeller. Vi tager bare det observerbare af de mange billeder og det faktum, at de kan transformeres til hinanden. De kan foldes ind i hinanden ved vores metode. Dette giver os allerede en idé om, hvor glat det mørke stof skal være på disse to positioner."

Dette resultat er vigtigt, Griffiths sagde, fordi astronomer stadig ikke ved, hvad mørkt stof er, næsten et århundrede efter dens opdagelse. "Vi ved, at det er en form for sag, men vi har ingen idé om, hvad partikelen er. Så vi ved slet ikke, hvordan det opfører sig. Vi ved bare, at den har masse og er underlagt tyngdekraften. Betydningen af ​​størrelsesgrænserne for klumpningen eller glatheden er, at det giver os nogle fingerpeg om, hvad partiklen kan være. Jo mindre det mørke stof klumper sig, jo mere massive skal partiklerne være."