Billedkredit: PPARC
Indtil nu har astronomer ikke været i stand til at finde en masse data om, hvad der skete i en tidlig fase i universets udvikling, da man troede, at stjernerne var dannet. Men ny forskning udført af astronomer, der bruger Gemini-observatoriet i Chile, har afsløret flere galakser for 8 til 11 milliarder år siden, som er mere fuldt dannet end forventet. De troede, de ville se protogalaksier bryde sammen i hinanden, men i stedet fandt de meget modne galakser. Det er muligt, at sorte huller var meget mere almindelige i det tidlige univers og tjente som ankre til hurtigt at danne galakser.
Indtil nu har astronomer været næsten blinde, når de kiggede tilbage i tiden for at undersøge en æra, hvor de fleste stjerner i universet forventedes at have dannet sig. Denne kritiske kosmologiske blindflade er blevet fjernet af et team, inklusive en britisk videnskabsmand, der brugte Frederick C. Gillett Gemini North Telescope, hvilket viser, at mange galakser i det unge univers ikke opfører sig som forventet for ca. 8-11 milliarder år siden.
Overraskelsen: disse galakser ser ud til at være mere fuldt dannede og modne end forventet på dette tidlige stadium i universets udvikling. Denne konstatering ligner en lærer, der går ind i et klasselokale, der forventer at hilse et værelse fuld af uregerlige teenagere og finde velplejede unge voksne.
"Teori fortæller os, at denne epoke skulle være domineret af små galakser, der styrter sammen," sagde Dr. Roberto Abraham (University of Toronto), som er en co-principal efterforsker af holdet, der udfører observationer på Gemini. ”Vi ser, at en stor brøkdel af stjernerne i universet allerede er på plads, da universet var ganske ung, hvilket ikke skulle være tilfældet. Dette glimt tilbage i tiden viser temmelig tydeligt, at vi er nødt til at tænke igen, hvad der skete under denne tidlige epoke i galaktisk udvikling. Teoretikerne har bestemt noget at gnage på! ”
Resultaterne blev annonceret i dag på det 203. møde i American Astronomical Society i Atlanta, Georgien. Dataene vil snart blive frigivet til hele det astronomiske samfund for yderligere analyse, og fire artikler er ved at være færdige til offentliggørelse i The Astrophysical Journal og The Astronomical Journal.
Dr. Isobel Hook, leder af den britiske Gemini Support Group, der er baseret på Oxford University, er medlem af det multinationale Gemini Deep Deep Survey (GDDS) -team, der gennemførte undersøgelsen. Hun forklarer, hvordan teknikken fungerer. Holdet brugte en særlig teknik til at fange det svageste galaktiske lys nogensinde dissekeret i regnbuen med farver kaldet et spektrum. I alt blev der opsamlet spektre fra over 300 galakser, hvoraf de fleste ligger inden for det, der kaldes ”Redshift-ørkenen”, en relativt uudforsket periode af universet set af teleskoper, der ser tilbage til en æra, hvor universet kun var 3-6 milliarder år gammel.
Hun tilføjer, Disse spektre repræsenterer den mest komplette prøve, der nogensinde er opnået af galakser i Redshift-ørkenen. Ved at hente store mængder data fra fire vidt adskilte felter giver denne undersøgelse det statistiske grundlag for at drage konklusioner, der er mistænkt af tidligere observationer foretaget af Hubble-rumteleskopet, Keck-observatoriet, Subaru-teleskopet og det meget store teleskop i det sidste årti.
At studere de svage galakser på denne tid, da universet kun var 20-40% af sin nuværende alder, udgør en skræmmende udfordring for astronomer, selv når man bruger lysopsamlingskapaciteten i et meget stort teleskop som Gemini North med sit 8 meter spejl. Alle tidligere galakseundersøgelser på dette område har fokuseret på galakser, hvor intens stjerne dannelse forekommer, hvilket gør det lettere at opnå spektre, men producerer en partisk prøve. GDDS var i stand til at vælge en mere repræsentativ prøve, inklusive de galakser, der har den mest stjernenormale, svagere og mere massive galakse, der kræver specielle teknikker for at skubbe et spektrum fra deres svage lys.
”Gemini-dataene er den mest omfattende undersøgelse nogensinde udført, der dækker hovedparten af galakserne, der repræsenterer forholdene i det tidlige univers. Dette er de massive galakser, der faktisk er vanskeligere at studere på grund af deres mangel på energisk lys fra stjernedannelse. Disse højtudviklede galakser, hvis stjernedannende ungdom i virkeligheden længe er gået, skulle bare ikke være der, men er, ”sagde co-rektor-efterforsker Dr. Karl Glazebrook (Johns Hopkins University).
Astronomer, der prøver at forstå dette problem, er muligvis nødt til at lægge alt på bordet. ”Det er uklart, om vi er nødt til at finpudse de eksisterende modeller eller udvikle en ny for at forstå denne konstatering,” sagde undersøgelsens tredje co-principale efterforsker, Dr. Patrick McCarthy (observatorier fra Carnegie-institutionen). ”Det er helt åbenlyst fra Gemini-spektraet, at dette virkelig er meget modne galakser, og vi ser ikke virkningen af skjule støv. Der er naturligvis nogle vigtige aspekter ved de tidlige liv i galakser, som vi bare ikke forstår. Det er endda muligt, at sorte huller måske har været meget mere allestedsnærværende, end vi troede i det tidlige univers og spillede en større rolle i såning af tidlig galaksdannelse. ”
Hvad der antagelig er den dominerende galaktiske evolutionsteori postulerer, at bestanden af galakser på dette tidlige stadium burde have været domineret af evolutionære byggesten. Den kaldes den hierarkiske model, og det forudsiger, at normale til store galakser, ligesom dem, der blev undersøgt i dette arbejde, endnu ikke ville eksistere og i stedet ville dannes fra lokale bikuber til aktivitet, hvor store galakser voksede. GDDS afslører, at dette muligvis ikke er tilfældet.
Spektrene fra denne undersøgelse blev også brugt til at bestemme forureningen af den interstellare gas af tunge elementer (kaldet "metaller") produceret af stjerner. Dette er en nøgleindikator for historien om stjernernes evolution i galakser. Sandra Savaglio (Johns Hopkins University), der studerede dette aspekt af forskningen sagde: ”Vores fortolkning af universet er stærkt påvirket af den måde, vi observerer den på. Fordi GDDS observerede meget svage galakser, kunne vi registrere den interstellare gas, selvom delvis skjult af tilstedeværelsen af støv. Ved at studere den kemiske sammensætning af den interstellare gas opdagede vi, at galakserne i vores undersøgelse er mere metalrige end forventet. ”
Caltech-astronom, Dr. Richard Ellis kommenterede, ”Gemini Deep Deep Survey repræsenterer en meget betydelig præstation, både teknisk og videnskabeligt. Undersøgelsen har givet en ny og værdifuld folketælling af galakser i en nøgleperiode i den kosmiske historie, en, der indtil nu har været vanskeligt at studere, især for den rolige del af galakspopulationen. ”
At foretage observationer i Redshift-ørkenen har frustreret moderne astronomer i det sidste årti. Mens astronomer har vidst, at masser af galakser skal eksistere i Redshift-ørkenen, er det kun en ”ørken”, fordi vi ikke kunne få gode spektre fra mange af dem. Problemet ligger i det faktum, at de vigtigste spektroskopiske træk, der blev brugt til at studere disse galakser, er blevet omdøbt til udvidelsen af Universeinto til en del af det optiske spektrum, der svarer til en svag, naturlig, skjule glød i Jordens nattetidsatmosfære.
For at overvinde dette problem blev der anvendt en sofistikeret teknik kaldet “Nod and Shuffle” på Gemini-teleskopet. ”Nod og Shuffle-teknikken gør det muligt for os at skumme af den svage naturlige glød på nattehimlen for at afsløre de svage galakser under det. Disse galakser er over 300 gange svagere end denne himmelglød, ”forklarer Dr. Kathy Roth, en astronom hos Gemini, der også var en del af holdet og opnåede meget af dataene. "Det har vist sig at være en ekstremt effektiv måde at radikalt reducere" støj "eller forureningsniveauer, der findes i signalet fra en elektronisk lysdetektor."
Hver observation varede ækvivalentet af ca. 30 timer og producerede næsten 100 spektre samtidig. Hele projektet krævede over 120 samlede timer med teleskoptid. "Dette er meget værdifuld tid på himlen, men når du overvejer, at det har givet os mulighed for at hjælpe med at udfylde et afgørende 20% hul i vores forståelse af universet, var det tid, der blev brugt godt," tilføjer Dr. Glazebrook, der udviklede brugen af Nod og Shuffle med Joss Hawthorn til svage galakseobservationer, mens de var på Anglo-Australian Observatory for et par år siden.
Tidligere undersøgelser i Redshift-ørkenen har koncentreret sig om galakser, som ikke nødvendigvis var repræsentative for mainstream-systemer. I denne undersøgelse blev galakser omhyggeligt udvalgt på baggrund af data fra Las Campanas Infrarød Undersøgelse for at sikre, at stærke ultraviolet-emitterende stjerneborstegalakser ikke blev oversamplet. ”Denne undersøgelse er unik, fordi vi var i stand til at studere den røde ende af spektret, og dette fortæller os om gamle stjerners aldre,” siger Dr. Abraham. ”Vi foretog utroligt lange eksponeringer med Geminiabout ti gange så længe som typiske eksponeringer. Dette lader os se på meget svagere galakser end normalt er tilfældet, og lad os fokusere på hovedparten af stjernerne i stedet for bare de prangende unge. Dette gør det meget lettere for os at finde ud af, hvordan galakserne udvikler sig. Vi gætter ikke længere på det ved at studere unge objekter og antage, at de gamle objekter ikke bidrog meget til historien om galakseudviklingen. Det viser sig, at der er masser af gamle galakser derude, men de er virkelig svære at finde. ”
Original kilde: PPARC nyhedsmeddelelse
