Pressemeddelelse

Fjerne galakser afslører, hvornår den kosmiske tåge lettede

Nye VLT-observationer kortlægger tidslinjen for reioniseringen

12. oktober 2011

Forskere har brugt ESO’s Very Large Telescope (VLT) til at undersøge det tidligere Univers på flere tidspunkter, mens det blev gennemsigtigt for ultraviolet lys. Denne korte, men dramatiske fase i den kosmiske historie – kendt som reioniseringen – fandt sted for cirka 13 milliarder år siden. Ved omhyggeligt at undersøge nogle af de fjerneste galakser, der nogensinde er blevet opdaget, har holdet for første gang været i stand til at etablere en tidslinje for reioniseringen. De har også vist, at denne fase må være gået hurtigere end astronomer hidtil har antaget.

Et internationalt hold af astronomer har brugt VLT som tidsmaskine for at se tilbage til det tidlige Univers og observere nogle af de fjerneste galakser, der til dato er blevet opdaget. De har været i stand til at måle afstandene til galakserne præcist og har fundet ud af, at vi ser dem, som de så ud mellem 780 millioner og en milliard år efter big bang [1].

De nye observationer har for første gang givet astronomerne mulighed for at etablere en tidslinje for det, der er kendt som reioniseringen [2]. I løbet af denne periode lettede tågen af brintgas i det tidlige Univers, så ultraviolet lys for første gang kunne  passere uhindret. 

De nye resultater, som bliver offentliggjort i tidsskriftet Astrophysical Journal, baserer sig på en lang og systematisk eftersøgning af fjerne galakser, som holdet har udført over de seneste tre år.

”Arkæologer kan rekonstruere en tidslinje over fortiden baseret på de genstande, de finder i forskellige jordlag. Astronomer kan gøre noget endnu bedre: Vi kan kigge direkte ind i den fjerne fortid og observere det svage lys fra forskellige galakser på forskellige stadier af den kosmiske evolution,” forklarer Adriano Fontana fra INAF Rome Astronomical Observatory, som leder projektet. ”Forskellene mellem galakserne fortæller os noget om hvordan forholdene ændrede sig  i Universet i løbet af denne vigtige periode og om, hvor hurtigt disse forandringer fandt sted.”

Forskellige grundstoffer lyser klart med hver deres karakteristiske farve og danner toppe i lysspektret, der kaldes emissionslinjer. En af de klareste ultraviolette emissionslinjer er Lyman-alfa-linjen, som kommer fra brintgas [3]. Den er klar og letgenkendelig nok til at blive set i observationer af selv meget lyssvage og fjerne galakser.

Fundet af Lyman-alfa-linjen i fem meget fjerne galakser [4] gav holdet mulighed for at gøre to vigtige ting: Ved at observere, hvor langt linjen var blevet forskudt mod den røde del af spektret, var de for det første i stand til at bestemme afstanden til galakserne og herved bestemme, hvor lang tid efter big bang, de kunne ses [5]. Det gav dem mulighed for at sætte galakserne i kronologisk orden og lave en tidslinje, der viser, hvordan lyset fra galakserne har udviklet sig over tid. For det andet var de i stand til at se, i hvilket omfang Lyman-alfa-strålingen – der kommer fra glødende brintgas i galakserne – blev genabsorberet i den neutrale brinttåge i det intergalaktiske rum på forskellige tidspunkter.

”Vi ser en dramatisk forskel i mængden af ultraviolet lys, der var blokeret mellem de tidligste og de seneste galakser i vores undersøgelse,” siger hovedforfatter Laura Pentericci fra INAF Rome Astronomical Observatory. ”Da Universet var bare 780 millioner år gammelt, var denne neutrale brintgas ganske udbredt og fyldte 10 til 50 % af Universets volumen. Men bare 200 millioner år senere var mængden af neutral brint faldet til et meget lavt niveau meget lig det, vi ser i dag. Det lader til, at reioniseringen må være sket hurtigere, end astronomer tidligere har antaget.”

Ud over undersøgelsen af den hastighed, som urtågen er lettet med, kan holdets observationer også give et fingerpeg om den mulige kilde til det ultraviolette lys, som har givet den nødvendige energi til, at reioniseringen kunne finde sted. Der er flere konkurrerende teorier om, hvor dette lys kom fra – to førende kandidater er den første generation af stjerner i Universet [6] og den intense stråling, der udsendes af stof, der falder ind mod sorte huller.

”Den detaljerede analyse af dette svage lys fra to af de fjerneste galakser, vi har fundet, antyder, at den allerførste generation af stjerner kan have bidraget til den energiproduktion, der er blevet observeret,” siger Eros Vanzella fra Trieste Observatory, som er et af medlemmerne på forskerholdet. ”Disse stjerner må have været meget unge og tunge, omkring fem tusinde gange yngre og hundrede gange tungere end Solen, og de har muligvis  været i stand til at opløse urtågen og gøre den gennemsigtig.”

De meget præcise målinger, der kræves for at be- eller afkræfte denne hypotese og vise, at disse stjerner kan producere den nødvendige energi, kræver observationer fra rummet eller med ESO’s planlagte European Extremely Large Telesope (E-ELT), som vil blive verdens største øje mod himlen og vil stå færdigt tidligt i næste årti.

Studier af denne tidlige periode i den kosmiske historie er teknisk udfordrende, fordi det kræver nøjagtige observationer af ekstremt fjerne og lyssvage galakser; en opgave, som kun kan løses med de kraftigste teleskoper. Til denne undersøgelse gjorde holdet brug af den store lysindsamlende kraft af det 8,2 meter store VLT for at udføre spektroskopiske observationer af galakser, der oprindelig blev fundet med NASA/ESA’s rumteleskop Hubble og dybe billeder fra VLT.

Noter

[1] Den fjerneste galakse, hvor afstanden er målt med spektroskopi, har en rødforskydning på 8,6. Det placerer den 600 millioner år efter big bang (eso1041). En galakse fundet af rumteleskopet Hubble menes at have en rødforskydning på omkring 10 (480 millioner år efter big bang), men det er endnu ikke blevet bekræftet. Den fjerneste galakse i denne undersøgelse har en rødforskydning på 7,1, hvilket placerer den 780 millioner år efter big bang. Universet er i dag 13,7 milliarder år gammelt. De nye datasæt af fem bekræftede galakser med Lyman-alfa-stråling (ud af 20 kandidater) omfatter halvdelen af alle kendte galakser med z>7.

[2] På det tidspunkt, hvor de første stjerner og galakser blev dannet, var Universet fyldt med elektrisk neutral brintgas, der absorberer ultraviolet lys. Da den ultraviolette stråling fra disse tidlige galakser påvirkede gassen og gjorde den elektrisk ladet (ioniseret), blev den gradvis gennemsigtig for ultraviolet lys. Denne proces kaldes teknisk for reionisering, eftersom der været en kort periode i de første 380.000 år efter big bang, hvor brintgassen også var ioniseret.

[3] Holdet målte effekterne af brinttågen ved hjælp af spektroskopi, en teknik der indebærer at brede lyset fra galaksen ud i dets forskellige farver, på samme måde som når et prisme breder sollyset ud i en regnbue.

[4] Holdet brugte VLT til at studere spektret af 20 kandidatgalakser, der har en rødforskydning tæt på 7. De blev oprindelig fundet på  dybe optagelser af tre forskellige områder på himlen. Ud af disse 20 objekter blev der i fem galakser fundet tydelig Lyman-alfa-stråling. Dette er på nuværende tidspunkt det eneste datasæt af galakser med en spektroskopisk bekræftet rødforskydning på omkring 7.

[5] Fordi Universet udvider sig, bliver lysbølgerne fra objekter strakt ud, når de bevæger sig gennem rummet. Jo længere lyset må rejse, desto mere bliver bølgelængden strakt ud. Eftersom rød er den længste bølgelængde, der er synlig for vores øjne, har den røde farve, som er karakteristisk for meget fjerne objekter, lagt navn til begrebet ’rødforskydning’. Selv om det teknisk set er en målestok for, hvordan farven af lyset fra et objekt er blevet påvirket, er det også en målestok for såvel objektets afstand som hvor længe efter big bang, vi ser det.

[6] Astronomer inddeler stjerner i tre kategorier kendt som population I, population II og population III. Population I-stjerner, som eksempelvis Solen, er rige på tungere grundstoffer, der er dannet i hjertet af ældre stjerner og supernovaeksplosioner: Da stjernerne er skabt af affald fra tidligere stjernegenerationer, blev de først dannet senere i Universets historie. Population II-stjerner indeholder færre tunge grundstoffer og består hovedsagelig af brint, helium og litium, der blev skabt under big bang. Her er tale om ældre stjerner, selv om en god del af dem stadig eksisterer i Universet i dag. Population III-stjerner er aldrig blevet observeret direkte, selv om de menes at have eksisteret i det tidlige Univers. Eftersom de kun indeholdt materiale, der blev skabt under big bang, havde de ingen tungere grundstoffer overhovedet. På grund af den rolle, tungere grundstoffer spiller i stjernedannelse, er kun meget store stjerner med meget kort levetid i stand til at blive skabt på dette tidspunkt. Derfor endte alle population III-stjerner hurtigt deres liv i supernovaeksplosioner i det tidlige Univers. Der er dog endnu ikke observeret nogen klare tegn på population III-stjerner, selv ikke i undersøgelser af meget fjerne galakser.

Mere information

Denne forskning præsenteres i artiklen ”Spectroscopic Confirmation of z∼7 LBGS: Probing the Earliest Galaxies and the Epoch og Reionization”, der udkommer I tidsskriftet Astrophysical Journal.

Holdet består af L.Pentericci (INAF Osservatorio Astronomico di Roma, Rom, Italien [INAF-OAR]),  A. Fontana (INAF-OAR), E. Vanzella (INAF Osservatorio Astronomico di Trieste, Trieste, Italien [INAF-OAT]), M. Castellano (INAF-OAR), A. Grazian (INAF-OAR), M. Dijkstra (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Tyskland), K. Boutsia (INAF-OAR), S. Cristiani (INAF-OAT), M. Dickinson (National Optical Astronomy Observatory, Tucson, USA), E. Giallongo (INAF-OAR), M. Giavalisco (University of Massachusetts, Amherst, USA), R. Maiolino (INAF-OAR), A. Moorwood (ESO, Garching), P. Santini (INAF-OAR).

ESO, det Europæiske Syd Observatorium, er den mest fremtrædende internationale astronomi-organisation i Europa og verdens mest produktive astronomiske observatorium. ESO har i dag følgende 15 medlemslande: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrig, Holland, Italien, Portugal, Schweiz og Storbritannien, Spanien, Sverige, Tjekkiet, Tyskland og Østrig. ESO’s aktiviteter er fokuseret på design, konstruktion og drift af jordbaserede observationsfaciliteter for at muliggøre vigtige videnskabelige opdagelser inden for astronomi. ESO spiller også en ledende rolle for at fremme og organisere samarbejdet inden for astronomisk forskning. I Chile driver ESO tre unikke observatorier i verdensklasse: La Silla, Paranal og Chajnantor. På Paranal driver ESO Very Large Telescope (VLT), der er verdens mest avancerede astronomiske observatorium til observationer i synligt lys samt to kortlægningsteleskoper. VISTA arbejder i infrarødt lys og er verdens største kortlægningsteleskop, mens VLT Survey Telescope (VST) er det største teleskop, der udelukkende er bygget til at kortlægge himlen i synligt lys. ESO er den europæiske partner i et revolutionerede astronomisk teleskop kaldet ALMA, det største igangværende astronomiske projekt. ESO planlægger i øjeblikket et 40 meter optisk/nær-infrarødt teleskop kaldet European Extremely Large Telescope (E-ELT), der vil blive ”verdens største øje mod himlen”.

Links

• Den videnskabelige artikel
• Billeder af VLT

Kontakter

Dr. Laura Pentericci
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Tel: +39 06 94 286 450
E-mail: laura.pentericci@oa-roma.inaf.it

Dr. Adriano Fontana
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Tel: +39 06 94 286 456
E-mail: adriano.fontana@oa-roma.inaf.it

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
E-mail: rhook@eso.org

Ole J. Knudsen (Pressekontakt Danmark)
ESOs formidlingsnetværk og Aarhus Space Centre, Aarhus Universitet
Aarhus, Danmark
Tel: +45 8715 5597
E-mail: eson-denmark@eso.org

Connect with ESO on social media

Dette er en oversættelse af ESO pressemeddelelse eso1138 lavet af ESON - et netværk af personer i ESOs medlemslande, der er kontaktpunkter for medierne i forbindelse med ESO nyheder, pressemeddelelser mm.