23. april 2021

ALMA opdager roterende babygalakse ved hjælp af naturligt, kosmisk teleskop

Det tidlige Univers:

Med radioteleskoperne Atacama Large Millimeter Array har astronomer fra Cosmic Dawn Center (KU/DTU) fundet en roterende babygalakse på kun 1/100 af Mælkevejens størrelse, set i en tid da Universet var blot 7% af sin nuværende alder. Hjulpet af "tyngdelinse"-effekten har holdet været i stand til, for første gang, at udforske små og lyssvage "normale" galakser i det tidlige Univers; galakser som er repræsentative for de allerførste galakser.

Billede af galaksehoben RXCJ0600-2007 taget af NASA/ESA's Hubble Rumteleskop, kombineret med tyngdelinse-billeder af den fjerne galakse RXCJ0600-z6, 28 milliarder lysår væk, observeret af ALMA (vist med rød). På grund af hobens gravitationelle linseeffekt forstærkes og forstørres billedet af RXCJ0600-z6, og ses endda tre forskellige steder på himlen. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Fujimoto et al., NASA/ESA/HST

Tyngdekraften bøjer rummet

"Gravitationel linsning", eller tyngdelinser, er et naturligt fænomen, hvor lyset udsendt fra et fjernt objekt afbøjes af tyngdekraften fra et tungt legeme såsom en galakse eller en galaksehob, som ligger i forgrunden; selve tyngdekraften af det tunge legeme virker som en linse. Når vi kigger gennem en tyngdelinse, forstærkes lyset fra objektet i baggrunden, og dets billede forvrænges. En tyngdelinse er, med andre ord, en "naturligt teleskop" svævende i rummet.

"ALMA Lensing Cluster Survey" (ALCS) er et observationelt program der kombinerer Atacama Large Millimeter Array — et array af 66 radioteleskoper i den chilenske Atacama-ørken — med effekten af tyngdelinser, med det mål at udforske lyssvage galakser i det tidlige Univers.

Men hvorfor er det så vigtigt at udforske de lyssvageste galakser i det tidlige Univers? Teorier og simuleringer forudsiger, at størstedelen af galakser, dannet et par hundrede millioner år efter Big Bang, er små og dermed lyssvage. Selvom vi allerede har observeret flere galakser i det tidlige Univers, har de været begrænset til de tungeste, klareste og derfor mindre repræsentative galakser. For at forstå dannelsen af de første galakser og fået komplet billede af galaksedannelse, må vi fokusere på de svagere, mere typiske galakser.

I et studie ledet af Seiji Fujimoto, postdoc ved Cosmic Dawn Center, et forskningscenter under Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet og DTU Space, fokuserede ALCS-teamet på en galaksehob med en svimlende masse på 1000 billioner gange massen af vores Sol. Hoben viste sig at have en særlig gunstig position i forhold til en enkelt, fjern galakse. Lyset fra kulstof-ioner og stjernestøv i denne galakse afslørede, at vi ser den, som den var omkring 900 millioner år efter Big Bang, samt at en del af galaksen ses 160 gange klarere end den er i virkeligheden.

Billede af den fjerne galakse RXCJ0600-z6, rekonstrueret ved at kompensere for galaksehobens tyngdelinse-effekt. De røde konturer viser fordelingen af radiobølger udsendt af kulstof-ioner observeret med ALMA, og de blå konturer viser lyset fanget af Hubble Rumteleskopet. Den "kritiske linje", hvor lysintensiteten fra tyngdelinsen er maksimal, løber langs den venstre side af galaksen, så denne del af galaksen blev forstørret yderligere (indsat billede). Kredit: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Fujimoto et al., NASA/ESA/HST.

Rekonstruering af det "rigtige" billede

Ved at måle den nøjagtige fordeling af galaksehobens masse, er det muligt at "af-linse" tyngdelinse-effekten og gendanne det forstørrede objekts oprindelige udseende. På denne måde bestemte teamet, at den galaksens masse er ca. 2–3 milliarder gange Solens, hvilket er ca. 1/100 af størrelsen af vores egen galakse, Mælkevejen.

Hvad der forbløffede teamet var, at RXCJ0600-z6 roterer. Den normale opfattelse af unge galakser er, at de har tilfældige, kaotiske bevægelse. Først for nylig har ALMA opdaget flere roterende unge galakser, der har udfordret den traditionelle teoretiske forståelse, men disse var mange, mange gange klarere (og dermed større) end RXCJ0600-z6.

”At RXCJ0600-z6 er så forstørret, øger også forventningerne til fremtidig forskning,” forklarer Seiji Fujimoto. ”Denne galakse er udvalgt, blandt hundreder, til at blive undersøgt af James Webb Rumteleskopet, den næste generations rumteleskop som sendes afsted til efteråret. I fællesskab vil ALMA og James Webb afsløre egenskaberne af gas og stjerner i denne babygalakse, og dens indre bevægelser. Når 30-Meter-Teleskopet og Extremely Large Telescope står færdige, vil de måske kunne finde stjernehobe, eller endda individuelle stjerner, i galaksen."

Normalt er det kun muligt at se individuelle stjerner i Mælkevejens nærmeste naboer. Men med tyngdelinser kan vi indimellem være heldige at se enkeltvise stjerner, på tværs af en stor del af det observerbare Univers.

"Der er et eksempel på en tyngdelinse, der er blevet brugt til at observere en enkelt stjerne, som ses godt 4 milliarder år efter Big Bang. Vores forskning har potentialet til at udvide dette til mindre end en milliard år efter Universets fødsel", fortsætter Seiji Fujimoto.