Från ett Caltech-pressmeddelande:
Vatten finns verkligen överallt. Tittar man på ett avstånd av 30 miljarder biljoner mil bort i en kvasar - ett av de ljusaste och mest våldsamma föremålen i kosmos - har forskarna hittat en massa vattenånga som är minst 140 biljoner gånger den för allt vatten i världens hav tillsammans och 100 000 gånger massivare än solen.
Eftersom kvasaren är så långt borta har dess ljus tagit 12 miljarder år att nå jorden. Observationerna avslöjar därför en tid då universum var bara 1,6 miljarder år gammalt. "Miljön kring denna kvasar är unik i och med att den producerar denna enorma massa vatten," säger Matt Bradford, forskare vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory (JPL) och en besökande medarbetare på Caltech. "Det är en annan demonstration att vatten är genomgripande i hela universum, även vid de allra allra första tiderna." Bradford leder ett av två internationella team av astronomer som har beskrivit sina kvasarresultat i separata artiklar som har accepterats för publicering i Astrophysical Journal Letters.
Läs Bradford & teams uppsats här.
En kvasar drivs av ett enormt svart hål som stadigt konsumerar en omgivande skiva med gas och damm; när den äter spyr kvasaren ut enorma mängder energi. Båda grupperna av astronomer studerade en viss kvasar som heter APM 08279 + 5255, som har ett svart hål som är 20 miljarder gånger massivare än solen och producerar lika mycket energi som tusen biljoner solar.
Eftersom astronomer förväntade sig att vattenånga skulle vara närvarande även i det tidiga universum, är upptäckten av vatten inte själv en överraskning, säger Bradford. Det finns vattenånga i Vintergatan, även om den totala mängden är 4 000 gånger mindre massiv än i kvasaren, eftersom de flesta av Vintergatens vatten är frusna i form av is.
Trots detta är vattenånga en viktig spårgas som avslöjar kvasarens natur. I just denna kvasar fördelas vattenångan runt det svarta hålet i en gasformig region som sträcker sig över hundratals ljusår (ett ljusår är ungefär sex biljoner mil), och dess närvaro indikerar att gasen är ovanligt varm och tät av astronomiska standarder. Även om gasen är en kylig –53 grader Celsius (–63 grader Fahrenheit) och är 300 biljoner gånger mindre tät än jordens atmosfär, är den fortfarande fem gånger varmare och 10 till 100 gånger tätare än vad som är typiskt i galaxer som Vintergatan.
Vattenångan är bara en av många slags gaser som omger kvasaren, och dess närvaro indikerar att kvasaren badar gasen i både röntgenstrålar och infraröd strålning. Samspelet mellan strålning och vattenånga avslöjar gasens egenskaper och hur kvasaren påverkar den. Exempelvis visar analys av vattenångan hur strålningen värmer upp resten av gasen. Vidare antyder mätningar av vattenångan och andra molekyler, såsom kolmonoxid, att det finns tillräckligt med gas för att mata det svarta hålet tills det växer till cirka sex gånger storleken. Huruvida detta kommer att hända är inte klart, säger astronomerna, eftersom en del av gasen kan hamna i stjärnor eller kasta ut från kvasaren.
Bradfords team gjorde sina observationer från och med 2008 och använde ett instrument som heter Z-Spec vid Caltech Submillimeter Observatory (CSO), ett 10-meters teleskop nära toppen av Mauna Kea på Hawaii. Z-Spec är en extremt känslig spektrograf som kräver temperaturer kylda till inom 0,06 grader Celsius över absolut noll. Instrumentet mäter ljus i ett område i det elektromagnetiska spektrumet som kallas millimeterbandet, som ligger mellan infraröda och mikrovågsvåglängder. Forskarnas upptäckt av vatten var bara möjligt eftersom Z-Specs spektraltäckning är tio gånger större än tidigare spektrometrar som arbetar vid dessa våglängder. Astronomerna gjorde uppföljningsobservationer med Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA), en rad radiorätter i Inyo-bergen i södra Kalifornien.
Denna upptäckt belyser fördelarna med att observera i millimeter- och submillimetervåglängderna, säger astronomerna. Fältet har utvecklats snabbt under de senaste två till tre decennierna, och för att nå den fulla potentialen för denna forskningslinje utformar astronomerna - inklusive studieförfattarna - CCAT, ett 25-meters teleskop som ska byggas i Atacamaöknen i Chile. CCAT tillåter astronomer att upptäcka några av de tidigaste galaxerna i universum. Genom att mäta närvaron av vatten och andra viktiga spårgaser kan astronomer studera sammansättningen av dessa ursprungliga galaxer.
Den andra gruppen, ledd av Dariusz Lis, senior forskningsassistent i fysik vid Caltech och biträdande direktör för CSO, använde Plateau de Bure interferometer i de franska Alperna för att hitta vatten. 2010 letade Liss team efter spår av vätefluorid i spektrumet av APM 08279 + 5255, men serendipitöst upptäckte en signal i kvasarspektrumet som indikerade närvaron av vatten. Signalen var vid en frekvens som motsvarar strålning som avges när vatten övergår från ett högre energitillstånd till ett lägre. Medan Lis's team hittade bara en signal på en enda frekvens, gjorde den breda bandbredden för Z-Spec Bradford och hans kollegor möjlighet att upptäcka vattenutsläpp vid många frekvenser. Dessa flera vattenövergångar gjorde det möjligt för Bradfords team att bestämma de fysiska egenskaperna hos kvasarens gas och vattenmassan.
