Forskere bruger galaksen som et kosmisk teleskop til at studere hjertet af det unge univers

Et unikt nyt instrument, kombineret med et kraftigt teleskop og lidt hjælp fra naturen, har givet forskere muligheden for at kigge ind i galaktiske planteskoler i hjertet af det unge univers.

Efter big bang for omkring 13,8 milliarder år siden var det tidlige univers fyldt med enorme skyer af neutral diffus gas, kendt som Damped Lyman-α-systemer eller DLA'er. Disse DLA'er tjente som galaktiske planteskoler, da gasserne indeni langsomt kondenserede for at give næring til dannelsen af ​​stjerner og galakser. De kan stadig observeres i dag, men det er ikke let.

"DLA'er er en nøgle til at forstå, hvordan galakser dannes i universet, men de er typisk svære at observere, da skyerne er for diffuse og ikke selv udsender noget lys," siger Rongmon Bordoloi, assisterende professor i fysik ved North Carolina State University og tilsvarende forfatter til forskningen.

I øjeblikket bruger astrofysikere kvasarer - supermassive sorte huller, der udsender lys - som "baggrundsbelysning" til at detektere DLA-skyerne. Og selvom denne metode gør det muligt for forskere at udpege DLA-placeringer, virker lyset fra kvasarerne kun som små spyd gennem en massiv sky, hvilket hæmmer bestræbelserne på at måle deres samlede størrelse og masse.

Men Bordoloi og John O'Meara, chefforsker ved W.M. Keck Observatory i Kamuela, Hawaii, fandt en vej rundt om problemet ved at bruge en gravitationslinser galakse og integral feltspektroskopi til at observere to DLA'er - og værtsgalakserne indeni - der blev dannet for omkring 11 milliarder år siden, ikke længe efter big bang.

"Gravitationslinsede galakser refererer til galakser, der ser ud til at være strakte og lysnede," siger Bordoloi. "Det skyldes, at der er en tyngdemæssigt massiv struktur foran galaksen, der bøjer lyset, der kommer fra den, mens det bevæger sig mod os. Så vi ender med at se på en udvidet version af objektet - det er som at bruge et kosmisk teleskop, der øger forstørrelsen og giver os bedre visualisering.

"Fordelen ved dette er dobbelt:Ét, baggrundsobjektet er udvidet hen over himlen og lyst, så det er nemt at tage spektrumaflæsninger på forskellige dele af objektet. For det andet, fordi linse udvider objektet, kan du sondere meget små skalaer . For eksempel, hvis objektet er et lysår på tværs, kan vi studere små stykker i meget høj kvalitet."

Spektrumaflæsninger gør det muligt for astrofysikere at "se" elementer i det dybe rum, som ikke er synlige for det blotte øje, såsom diffuse gasformige DLA'er og de potentielle galakser i dem. Normalt er indsamlingen af ​​aflæsningerne en lang og omhyggelig proces. Men holdet løste det problem ved at udføre integral feltspektroskopi med Keck Cosmic Web Imager.

Integral feltspektroskopi gjorde det muligt for forskerne at opnå et spektrum ved hver enkelt pixel på den del af himlen, den var målrettet mod, hvilket gjorde spektroskopi af et udvidet objekt på himlen meget effektiv. Denne innovation kombineret med den strakte og lysnede gravitationslinsede galakse gjorde det muligt for holdet at kortlægge den diffuse DLA-gas på himlen i høj kvalitet. Gennem denne metode var forskerne i stand til at bestemme ikke kun størrelsen af ​​de to DLA'er, men også at de begge indeholdt værtsgalakser.

"Jeg har ventet det meste af min karriere på denne kombination:et teleskop og et instrument, der er kraftfuldt nok, og naturen giver os en smule heldige justeringer til at studere ikke én men to DLA'er på en rig ny måde," siger O'Meara. "Det er dejligt at se videnskaben blive udmøntet."

DLA'erne er i øvrigt enorme. Med diametre større end 17,4 kiloparsecs er de mere end to tredjedele af størrelsen af ​​Mælkevejsgalaksen i dag. Til sammenligning ville en typisk galakse for 13 milliarder år siden have en diameter på mindre end 5 kiloparsec. En parsec er 3,26 lysår, og en kiloparsec er 1.000 parsec, så det ville tage lys omkring 56.723 år at rejse på tværs af hver DLA.

"Men for mig er det mest fantastiske ved de DLA'er, vi observerede, at de ikke er unikke - de ser ud til at have ligheder i struktur, værtsgalakser blev opdaget i begge, og deres masser indikerer, at de indeholder nok brændstof til den næste generation af stjernedannelse," siger Bordoloi. "Med denne nye teknologi til vores rådighed vil vi være i stand til at grave dybere ned i, hvordan stjerner blev dannet i det tidlige univers."

Værket vises i tidsskriftet Nature . + Udforsk yderligere

Ny metode løser 40 år gammelt mysterium om størrelsen af ​​skyggefulde galakser