I deras strävan att lära sig hur vårt universum blev, har forskare sökt mycket djupt in i rymden (och därmed mycket långt tillbaka i tiden). I slutändan är deras mål att bestämma när de första galaxerna i vårt universum bildades och vilken effekt de hade på den kosmiska evolutionen. De senaste ansträngningarna för att lokalisera dessa tidigaste formationer har undersökt avstånd på upp till 13 miljarder ljusår från Jorden - dvs ungefär 1 miljard år efter Big Bang.
Från detta kan forskare nu studera hur tidiga galaxer påverkade materien kring dem - i synnerhet reoniseringen av neutrala atomer. Tyvärr är de flesta tidiga galaxer mycket svaga, vilket gör det svårt att studera deras inredning. Men tack vare en nyligen genomförd undersökning som genomfördes av ett internationellt team av astronomer, såg man en mer lysande, massiv galax som kunde ge en tydlig titt på hur tidiga galaxer ledde till reonisering.
Studien som beskriver deras resultat, med titeln ”ISM Properties of a Massive Dusty Star-forming Galaxy Galaxy Discovered at z ~ 7 “, publicerades nyligen i The Astrophysical Journal Letters.Leds av forskare från Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, förlitade teamet på data från South Pole Telescope (SPT) -SZ-undersökningen och ALMA för att upptäcka en galax som fanns för 13 miljarder år sedan (bara 800 miljoner år efter Big Bang).
I enlighet med Big Bang-modellen för kosmologi hänvisar reonisering till processen som ägde rum efter den tid som kallas ”Dark Ages”. Detta inträffade mellan 380 000 och 150 miljoner år efter Big Bang, där de flesta av fotonerna i universum samverkade med elektroner och protoner. Som ett resultat kan strålningen under denna period inte upptäckas av våra nuvarande instrument - därav namnet.
Precis före denna period inträffade ”rekombinationen”, där väte- och heliumatomer började bildas. Ursprungligen joniserades (utan elektroner bundna till deras kärnor) fångade dessa molekyler gradvis joner när universum kyldes och blev neutralt. Under perioden som följde - dvs. mellan 150 miljoner till 1 miljard år efter Big Bang - började universums storskaliga struktur bildas.
Inneboende i detta var processen för återjonisering, där de första stjärnorna och kvasarna bildades och deras strålning återjoniserade det omgivande universum. Det är därför tydligt varför astronomer vill undersöka denna era av universum. Genom att observera de första stjärnorna och galaxerna och vilken effekt de hade på kosmos kommer astronomer att få en tydligare bild av hur denna tidiga period ledde till universumet så som vi känner det idag.
Lyckligtvis för forskarteamet är de massiva, stjärnbildande galaxerna under denna period kända för att innehålla mycket damm. Medan de är mycket svaga i det optiska bandet, avger dessa galaxer stark strålning vid våglängder för submillimeter, vilket gör dem detekterbara med dagens avancerade teleskop - inklusive South Pole Telescope (SPT), Atacama Pathfinder Experiment (APEX) och Atacama Large Millimeter Array (ALMA) ).
Strandet och Weiss förlitade sig för sin studie på data från SPT för att upptäcka en serie dammiga galaxer från det tidiga universum. Som Maria Strandet och Axel Weiss från Max Planck Institute for Radio Astronomy (respektive huvudförfattare och medförfattare) berättade för Space Magazine via e-post:
”Vi har använt ljus med cirka 1 mm våglängd, vilket kan observeras av mm-teleskop som SPT, APEX eller ALMA. Vid denna våglängd produceras fotonerna av den termiska strålningen av damm. Skönheten med att använda denna långa våglängd är att för ett stort rödskiftområde (titta tillbaka på tiden) kompenseras dämpningen av galaxer [orsakade] av ökande avstånd av rödskiftet - så den observerade intensiteten är oberoende av rödskiftet. Detta beror på att man för högre rödförskjutningsgalaxier tittar på inre kortare våglängder (med (1 + z)) där strålningen är starkare för ett termiskt spektrum som dammspektrumet. ”
Detta följdes av data från ALMA, som teamet använde för att bestämma galaxernas avstånd genom att titta på den rödförskjutna våglängden för kolmonoxidmolekyler i deras interstellära medier (ISM). Från all data de samlade in kunde de begränsa egenskaperna hos en av dessa galaxer - SPT0311-58 - genom att observera dess spektrallinjer. På så sätt bestämde de att denna galax fanns bara 760 miljoner år efter Big Bang.
"Eftersom signalstyrkan vid 1 mm är oberoende av den röda förskjutningen (titta tillbaka på tiden), har vi inte en förhands ledtråd om ett objekt är relativt nära (i kosmologisk bemärkelse) eller i återkroniseringens epok," sade de. "Det är därför vi genomförde en stor undersökning för att bestämma rödförskjutningarna via utsläpp av molekylära linjer med ALMA. SPT0311-58 visar sig vara det högsta rödförskjutningsobjektet som upptäckts i denna undersökning och i själva verket den mest avlägsna massiva dammiga stjärnbildande galaxen hittills upptäckt. ”
Från sina observationer fastställde de också att SPT0311-58 har en massa på cirka 330 miljarder solmassor, vilket är ungefär 66 gånger så mycket som Vintergalaxen (som har cirka 5 miljarder solmassor). De uppskattade också att det bildar nya stjärnor med en hastighet på flera tusen per år, vilket kan vara fallet för angränsande galaxer som är daterade till denna period.
Detta sällsynta och avlägsna objekt är en av de bästa kandidaterna för att studera hur det tidiga universumet såg ut och hur det har utvecklats sedan dess. Detta i sin tur tillåter astronomer och kosmologer att testa den teoretiska grunden för Big Bang Theory. Som Strandet och Weiss berättade för Space Magazine om deras upptäckt:
"Dessa objekt är viktiga för att förstå utvecklingen av galaxer som helhet eftersom de stora mängder damm som redan finns i denna källa, bara 760 miljoner år efter Big Bang, betyder att det är ett extremt massivt objekt. Det faktum att sådana massiva galaxer redan fanns när universum fortfarande var så unga, sätter starka begränsningar för vår förståelse av galaxmassuppbyggnad. Dammet måste dessutom formas på mycket kort tid, vilket ger ytterligare insikter om dammproduktionen från den första stjärnpopulationen. ”
Förmågan att titta djupare i rymden och längre tillbaka i tiden har lett till många överraskande upptäckter av sent. Och dessa har i sin tur utmanat några av våra antaganden om vad som hände i universum och när. Och i slutändan hjälper de forskare att skapa en mer detaljerad och fullständig redogörelse för kosmisk utveckling. En dag snart kanske vi till och med kan undersöka de tidigaste ögonblicken i universum och se skapelsen i aktion!
