I deres forfølgelse af at lære, hvordan vores univers blev, har forskere undersøgt meget dybt ud i rummet (og dermed meget langt tilbage i tiden). I sidste ende er deres mål at bestemme, hvornår de første galakser i vores univers blev dannet, og hvilken effekt de havde på den kosmiske udvikling. Den seneste indsats for at lokalisere disse tidligste formationer har forsøgt at afstande på op til 13 milliarder lysår fra Jorden - dvs. ca. 1 milliard år efter Big Bang.
Fra dette er videnskabsmænd nu i stand til at undersøge, hvordan tidlige galakser påvirkede stof omkring dem - især genudvikling af neutrale atomer. Desværre er de fleste tidlige galakser meget svage, hvilket gør det vanskeligt at studere deres interiør. Men takket være en nylig undersøgelse foretaget af et internationalt team af astronomer blev der set en mere lysende, massiv galakse, der kunne give et klart kig på, hvordan tidlige galakser førte til reionisering.
Undersøgelsen, der detaljerede deres fund, med titlen “ISM Properties of a Massive Dusty Star-forming Galaxy Galaxy Discovered at z ~ 7 “, blev for nylig offentliggjort i The Astrophysical Journal Letters.Under ledelse af forskere fra Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, stole teamet på data fra South Pole Telescope (SPT) -SZ-undersøgelsen og ALMA for at få øje på en galakse, der eksisterede for 13 milliarder år siden (kun 800 millioner år efter det store brag).
I overensstemmelse med Big Bang-modellen for kosmologi henviser reionisering til processen, der fandt sted efter perioden kendt som ”Dark Ages”. Dette skete mellem 380.000 og 150 millioner år efter Big Bang, hvor de fleste af fotonerne i universet interagerede med elektroner og protoner. Som et resultat kan strålingen i denne periode ikke påvises af vores nuværende instrumenter - derav navnet.
Lige inden denne periode forekom "rekombinationen", hvor brint og heliumatomer begyndte at dannes. Oprindeligt ioniserede (uden elektroner bundet til deres kerner) disse molekyler gradvist fangede ioner, når universet afkøledes og blev neutralt. I perioden, der fulgte - dvs. mellem 150 millioner og 1 milliard år efter Big Bang - begyndte universets store struktur at dannes.
Intrinsik hertil var processen med reionisering, hvor de første stjerner og kvasarer dannede sig, og deres stråling genioniserede det omgivende univers. Det er derfor klart, hvorfor astronomer ønsker at undersøge denne æra af universet. Ved at observere de første stjerner og galakser, og hvilken effekt de havde på kosmos, vil astronomer få et klarere billede af, hvordan denne tidlige periode førte til universet, som vi kender det i dag.
Heldigvis for forskerteamet er det kendt at de massive, stjernedannende galakser i denne periode indeholder meget støv. Selv om de er meget svage i det optiske bånd, udsender disse galakser stærk stråling ved submillimeterbølgelængder, hvilket gør dem detekterbare ved hjælp af nutidens avancerede teleskoper - inklusive South Pole Telescope (SPT), Atacama Pathfinder Experiment (APEX) og Atacama Large Millimeter Array (ALMA) ).
Af hensyn til deres undersøgelse stolede Strandet og Weiss på data fra SPT for at opdage en række støvede galakser fra det tidlige univers. Som Maria Strandet og Axel Weiss fra Max Planck Institute for Radio Astronomy (og henholdsvis hovedforfatter og medforfattere til undersøgelsen) fortalte Space Magazine via e-mail:
”Vi har brugt lys på ca. 1 mm bølgelængde, som kan observeres med mm-teleskoper som SPT, APEX eller ALMA. På denne bølgelængde produceres fotonerne ved den termiske stråling af støv. Det smukke ved at bruge denne lange bølgelængde er, at for et stort rødskiftområde (se tilbage på tiden) dæmpes galakser [forårsaget] af stigende afstand kompenseres af rødskiftet - så den observerede intensitet er uafhængig af rødskiftet. Dette skyldes, at man ved højere rødskift-galakser ser på iboende kortere bølgelængder (med (1 + z)), hvor strålingen er stærkere for et termisk spektrum som støvspektret. ”
Dette blev efterfulgt af data fra ALMA, som teamet brugte til at bestemme afstanden til galakserne ved at se på den rødskiftede bølgelængde af kulilte i deres interstellære medier (ISM). Fra alle de data, de indsamlede, var de i stand til at begrænse egenskaberne for en af disse galakser - SPT0311-58 - ved at observere dens spektrale linjer. Dermed bestemte de, at denne galakse eksisterede kun 760 millioner år efter Big Bang.
”Da signalstyrken ved 1 mm er uafhængig af rødskiftet (se tilbageblik), har vi ikke en priori ledetråd, hvis et objekt er relativt nært (i den kosmologiske forstand) eller i reoniseringens epoke,” sagde de. ”Derfor foretog vi en stor undersøgelse for at bestemme rødskiftene via emissionen af molekylære linjer ved hjælp af ALMA. SPT0311-58 viser sig at være det højeste rødforskydningsobjekt, der er opdaget i denne undersøgelse, og faktisk den mest fjerne massive støvede stjernedannende galakse, der hidtil er opdaget. ”
Fra deres observationer bestemte de også, at SPT0311-58 har en masse på omkring 330 milliarder solmasser, hvilket er omkring 66 gange så meget som Mælkevejen Galaxy (som har ca. 5 milliarder solmasser). De vurderede også, at det danner nye stjerner med en hastighed på flere tusinde om året, hvilket kunne være tilfældet for tilstødende galakser, der er dateret til denne periode.
Dette sjældne og fjerne objekt er en af de bedste kandidater til nogensinde at studere, hvordan det tidlige univers så ud og hvordan det har udviklet sig siden. Dette vil igen give astronomer og kosmologer mulighed for at teste det teoretiske grundlag for Big Bang Theory. Som Strandet og Weiss fortalte Space Magazine om deres opdagelse:
”Disse objekter er vigtige for at forstå udviklingen af galakser som helhed, da de store mængder støv, der allerede findes i denne kilde, kun 760 millioner år efter Big Bang, betyder, at det er et ekstremt massivt objekt. Den blotte kendsgerning, at sådanne massive galakser allerede eksisterede, da universet stadig var så ungt, lægger stærke begrænsninger for vores forståelse af galaksemasseopbygning. Desuden skal støvet dannes på meget kort tid, hvilket giver yderligere indsigt i støvproduktionen fra den første stjernepopulation. ”
Evnen til at se dybere ind i rummet og længere tilbage i tiden har ført til mange overraskende opdagelser om sent. Og disse har igen udfordret nogle af vores antagelser om, hvad der skete i universet, og hvornår. Og til sidst hjælper de forskere med at skabe en mere detaljeret og komplet redegørelse for den kosmiske udvikling. En dag snart kan vi endda være i stand til at undersøge de tidligste øjeblikke i Universet og se skabelse i aktion!
