8. december 2021

En ny metode til at undersøge stjernedannende gas i det tidlige Univers

Astrofysik:

Ved at kombinere observationer af eksploderende stjerner og observationer af galakser har astronomer ved Cosmic Dawn Center fundet en ny måde at estimere mængden af den ellers usynlige, kolde gas i nogle af de første galakser — gas, som til sidst vil kondensere og begynde at danne stjerner.

GRB
En stjerne eksploderer i en galakse som et gammaglimt. Sådanne eksplosioner finder typisk sted i centrum eller i de mest lysstærke områder af værtsgalaksen, hvilket giver astronomerne en kortvarig mulighed for at undersøge galaksens gas foran glimtet (kredit: Heintz et al. 2021).

For at en galakse kan danne stjerner, skal den indeholde rigeligt med kold gas — hvis gassen ikke er kold, kan den ikke klumpe sig nok sammen til at kollapse til stjerner. For at undersøge, om en galakse er i stand til at danne stjerner, må man derfor lede efter den kolde, neutrale gas, af hvilket langt den største andel er neutral hydrogen.

Neutrale hydrogenatomer er dog generelt ret svære at opdage på store afstande og dermed — fordi stor afstand betyder at se længere tilbage i tiden — i tidlige epoker i Universets historie.

For individuelle galakser kan vi med den tilgængelige teknologi detektere atomar hydrogen tilbage til dengang, hvor Universet var omkring 9 milliarder år, 2/3 af dets nuværende alder. Hvis vi kigger på det samlede lys fra et sort antal galakser, kan vi se noget længere tilbage, til dengang Universet var 6 milliarder år gammelt. Prisen for dette er så, at vi kun kan undersøge galakserne i statistisk forstand, da vi mister information om de enkelte galakser.

Hydrogen by proxy

Lignende begrænsninger findes for molekylær hydrogen. Løsningen på dét problem har været at finde et passende "sporstof", på engelsk: tracer — det vil sige lys udsendt fra et andet molekyle, der repræsenterer den samme gasfase, men som lyser meget klarere og derfor kan detekteres til større afstande.

Et populært valg, der med stor succes er blevet brugt som en sådan tracer for den samlede molekylære gaskomponent, har traditionelt været kulilte (CO). Ulempen ved denne løsning er dog, at den nøjagtige faktor, der bruges til at omdanne det observerede kulstof til det ønskede hydrogen, er noget usikker, da den afhænger af flere eksterne omstændigheder.

Men i en ny undersøgelse baseret på eksploderende stjerner foreslår DAWN-postdoc Kasper E. Heinz og hans kolleger nu en lignende tracer for atomar hydrogen.

Kosmiske eksplosioner

De største stjerner ender deres liv i fantastiske eksplosioner, der midlertidigt overstråler deres værtsgalakse fuldstændigt, og gør dem synlige i det meste af det observerbare univers. De voldsomste af disse eksplosioner er de såkaldte gammaglimt, der betyder døden for ​​en stjerne, der mere end 30 gange tungere end vores Sol, som kollapser og danner et sort hul.

Gammaglimt forekommer typisk i centrene af deres værtsgalakser. I et kort øjeblik oplyser de derfor al den gas, støv og metaller i galakserne, som et kosmisk fyrtårn, der afslører galaksens bestanddele.

Et gammaglimt eksploderer i en galakse.
Et gammaglimt eksploderer i en galakse. Efterhånden som dets lys bevæger sig gennem gasskyerne i dens værtsgalakse, absorberes mere og mere af dets lysspektrum, set i de øverste paneler. Ved at måle den nøjagtige position og dybde af disse absorptionslinjer får astronomerne mulighed for nøjagtigt at beregne mængden af de forskellige atomer og molekyler langs synslinjen (illustration: Peter Laursen).

Et gammaglimt eksploderer i en galakse. Efterhånden som dets lys bevæger sig gennem gasskyerne i dens værtsgalakse, absorberes mere og mere af dets lysspektrum, set i de øverste paneler. Ved at måle den nøjagtige position og dybde af disse absorptionslinjer får astronomerne mulighed for nøjagtigt at beregne mængden af de forskellige atomer og molekyler langs synslinjen.

Ligesom med den molekylære hydrogen var Kasper E. Heintz og hans kolleger i stand til at finde et velegnet tracer af den atomare neutrale hydrogen. Denne tracer er ioniseret kulstof, det vil sige kulatomer, der har mistet en af ​​deres elektroner. Kul-ionerne exciteres af lyset fra det klare baggrunds-gammaglimt, og gassen i forgrunden efterlader derved et unikt absorptions-fingeraftryk i dets spektrum.

Baseret på observationer af gammaglimt med Very Large Telescope i Chile kunne forskerholdet måle mængden af ​​kul-ioner nøjagtigt i denne exciterede tilstand, som senere vil henfalde og udsende klart lys. Ved at sammenligne dette med mængden af atomar hydrogen kunne de udlede mængden af ​​neutralt, atomart gas, der er associeret med det ioniserede kulstof.

Med andre ord har Heintz og hans medforfattere demonstreret, hvordan man kan beregne mængden af ​​det "usynlige" neutrale brint, baseret på observationer af det mere tilgængelige kulstof.

Gas i fjerne galakser

Ved hjælp af denne nøjagtige kalibrering indsamlede forskerholdet derefter et stort sæt observationer taget med Atacama Large Millimeter Array af galakser, der udsender den samme særlige slags lys af ioniseret kulstof. Ved at måle den samlede mængde lys kunne de så udlede den tilsvarende atomare gasreservoir i galaksen — selv for galakser så langt tilbage i tiden som omkring 13 milliarder år, da Universet var mindre end 10 % af dets nuværende alder.

Dette arbejde giver det første indblik i den usynlige, neutrale gaskomponent i galakser i det fjerne Univers; resultater, der i høj grad vil bidrage til vores samlede forståelse af galaksedannelse og -udvikling.