En helt grundlæggende metode til at beskrive galaksers egenskaber og udvikling er at måle — henover kosmisk tid — hvor hurtigt de danner deres stjerner.

De forskellige teknikker, der bruges til at estimere denne såkaldte stjernedannelseshastighed, afhænger typisk af det lys, der udsendes, enten fra stjernerne eller fra stof, der belyses af stjernerne.

Kosmisk støv

Stjernerne der dannes har imidlertid en tendens til at danne støv — partikler af tunge grundstoffer såsom kulstof, silicium, ilt og jern. Støvet manifesterer sig som tykke skyer i rummet mellem stjernerne og kan helt skjule stjernerne for vores øjne.

Det gør det svært at få et ordentligt overblik over stjernedannelseshastigheden, især i unge "starburst"-galakser, hvor støvet endnu ikke har haft tid til at sprede sig langt fra de kompakte områder med stjernedannelse.

Når støvet opvarmes af stjernerne, begynder det at gløde i langbølget, infrarødt lys, som, skønt det er usynligt for det menneskelige øje, kan detekteres af teleskoper designet til at observere disse bølgelængder.

Men for de mest kompakte, støvindhyllede starburst-galakser ser vi kun skyernes overflade. Disse galakser er ikke kun usynlige ved de "menneskesynlige", optiske bølgelængder, men også i begyndelsen af det infrarøde spektrum; usynlige selv for rumteleskopet Hubble.

Galakser i radioen

Et hold af astronomer — ledet af Shuowen Jin (靳硕文), som er Marie Curie-postdoc ved Cosmic Dawn Center, i samarbejde med flere andre DAWNere — besluttede sig derfor at tage et kig på det tidlige Univers ved endnu længere bølgelængder. Astronomerne brugte

radio/mikrobølge-antennerne ved to af verdens største radioobservatorier, Atacama Large Millimeter Array (ALMA) i Chile og Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) i Frankrig.

Sammen med billeder af det samme felt på himlen taget med andre radioteleskoper afslørede Jins observationer en population af kompakte starburst-galakser, indhyllet i ekstremt tykke støvskyer.

Når lyset bryder frem

Radio- og mikrobølgeobservationerne gjorde det muligt for astronomerne at måle stjernedannelseshastigheden og støvets temperatur.

"I denne periode, 1–2 milliarder år efter Big Bang, bidrog galakser som dem her ganske betydeligt til Universets samlede stjernedannelseshastighed, men går ubemærket hen i optiske og nær-infrarøde observationer," siger Shuowen Jin.

Studiet forklarer, hvorfor disse galakser er så mørke i optisk og infrarødt: "Fordi støvskyerne er så tykke og tætte, kan optisk og nær-infrarødt lys ikke trænge igennem. Selv det fjern-infrarøde lys bliver delvist absorberet," forklarer Shuowen Jin.

Observationerne afslører ikke kun støv, men også kulilte (CO), blandet i skyerne. Det lys, der udsendes af CO, kan hjælpe astronomer med at undersøge en anden vigtig karakteristik for galakser, nemlig galaksens totale mængde af gas. Men et andet af nøgleresultaterne af Jins og hans kollegers arbejde er, at standardmetoden til at udlede gasmasser fra CO-lyset er behæftet med fejl:

Det observerede lys udsendes fra overfladerne af de støvfyldte skyer. Typiske tager modeller ikke højde for, at lyset blokeres inde i skyerne og ændrer bølgelængde, før det slipper ud. Når denne effekt medregnes, ændres billedet en del:

"Vores model tager højde for, at selv det infrarøde lys ikke undslipper direkte fra midten af støvskyerne. Dette viser os, at tidligere estimater af gasmasser er blevet overvurderet med en faktor på 2–3 stykker i kompakte, støvfyldte, stjernedannende galakser," forklarer Shuowen Jin.

Studiet er netop blevet accepteret til publikation i det videnskabelige tidsskrift Astronomy & Astrophysics. Et preprint kan findes på arXiv:2206.10401.