Pressmeddelande

Fjärran galaxer avslöjar hur den kosmiska dimman lättade

Nya observationer med VLT avslöjar återjoniseringens tidslinje

12 oktober 2011

Forskare har använt ESO:s jätteteleskop VLT för att göra flera nedslag i tiden då universum blev genomskinligt för ultraviolett ljus. Denna korta men dramatiska fas i den kosmiska historien, som ägde rum för cirka 13 miljarder år sedan, kallas återjoniseringens tidsålder. Genom att studera några av de mest avlägsna galaxerna som någonsin upptäckts kunde forskarna för första gången upprätta en tidslinje för återjoniseringen. De kunde dessutom bevisa att denna fas måste ha varit kortare än vad astronomer tidigare har trott.

Ett internationellt astronomteam använde VLT som en tidsmaskin, för att titta tillbaka in i det unga universum och observera ett flertal av de mest avlägsna galaxer som någonsin upptäckts. Efter att ha mätt pålitliga avstånd till galaxerna konstaterar de att vi ser dem som de var mellan 780 miljoner och en miljard år efter big bang [1].

De nya observationerna har för första gången gjort det möjligt för astronomer att upprätta en tidslinje för det som kallas återjoniseringens tidsålder [2]. Under denna fas i det tidiga universum höll dimman av vätgas på att skingras. Först då kunde ultraviolett ljus passera obehindrat genom universum.

De nya forskningsresultaten, som kommer att publiceras i tidskriften Astrophysical Journal, bygger på en lång och systematisk sökning efter avlägsna galaxer som teamet har genomfört med VLT under de senaste tre åren.

Adriano Fontana vid INAF:s Astronomiska observatoriet i Rom ledde projektet.

– Arkeologer kan återskapa en tidslinje av det förflutna utifrån artefakterna som de hittar i olika lager av jordmån. Astronomer kan gå ett steg längre: vi kan titta direkt mot det avlägsna förflutna och observera det svaga ljuset av olika galaxer vid olika stadier i kosmos utveckling. Skillnaderna mellan galaxerna berättar om hur förhållandena i unversum förändrades under denna viktiga tid, samt hur snabbt förändringarna skedde, förklarar han.

Olika grundämnen lyser klart i karaktäriska färger. Dessa toppar i ljusstyrka kallas emissionslinjer. En av de starkaste ultravioletta emissionslinjerna är linjen Lyman-alfa, som har sitt ursprung i vätgas [3]. Den är tillräckligt ljusstark och lätt att känna igen för att kunna upptäckas i observationer av mycket ljussvaga fjärran galaxer.

När de väl hade fått syn på ljuset från Lyman-alfa-linjen i fem mycket avlägsna galaxer [4] kunde teamet göra två saker. För det första kunde de fastställa galaxernas avstånd genom att observera hur mycket  linjen hade förskjutits mot spektrumets röda ända. Därmed kunde de även avgöra hur tidigt efter big bang vi ser dem [5]. Det gjorde i sin tur att galaxerna kunde placeras i tidsordning, och forskarna kunde därmed etablera en tidslinje som visar hur galaxernas ljus utvecklades med tiden. Dessutom kunde de se hur mycket av Lyman-alfa-emissionen – som alstras i glödande vätgas inuti galaxerna – som fångades upp igen, och vid vilka tidpunkter i universums historia detta hände. Det är dimman av oladdade väteatomer, så kallad neutral vätgas, som finns i rymden mellan galaxerna som ligger bakom denna uppfångning.

Laura Pentericci vid INAF:s Astronomiska observatorium i Rom är huvudförfattare till studien.

– Vi ser en dramatisk skillnad i mängden ultraviolett ljus som blockerades om vi jämför de tidigaste och senaste galaxerna i vårt urval. Då universum bara var 780 miljoner år gammalt var denna neutrala vätgas ganska vanligt förekommande och fyllde mellan 10 och 50 procent av universums volym. Men bara 200 miljoner år senare hade mängden neutral vätgas sjunkit till en mycket lägre nivå, som liknar den som vi ser idag. Det verkar som återjoniseringen måste ha ägt rum snabbare än astronomer tidigare har trott, säger hon.

Forskarnas observationer spårar inte bara takten med vilken kosmos urdimma skingrades. De ger även ledtrådar till källorna av det ultravioletta ljuset som var kraften bakom återjoniseringen. Ett antal olika teorier tävlar om att förklara ursprunget till detta ljus. De två ledande kandidaterna är universums första generation av stjärnor [6] och den intensiva strålningen från materia som faller in mot svarta hål.

Eros Vanzella vid INAF Triestes observatorium ingår I forskarteamet.

– En detaljerad analys av det svaga ljuset från två av de mest avlägsna glaxerna som vi hittade tyder på att den allra första  generationen av stjärnor kan ha bidragit till energin som vi ser att de alstrar. Dessa skulle ha varit mycket unga och mycket tunga stjärnor, en femtusendedel av solens ålder och hundra gånger dess massa. Kanske kunde de upplösa universums urdimma och göra den genomskinlig, säger han.

För att kunna bevisa eller motbevisa denna hypotes, att stjärnorna kan bidra med tillräcklig energi, krävs mycket noggranna mätningar. Till detta behövs antingen observationer från rymdteleskop eller från ESO:s planerade E-ELT, European Extremely Large Telescope, som kommer att bli världens största öga mot himlen när det är färdigbyggt tidigt under nästa årtionde.

Att studera denna tidiga period i den kosmiska historien är en teknisk utmaning. Tillförlitliga observationer av extremt avlägsna galaxer krävs, något som bara kan utföras med de allra kraftigaste teleskopen. Till den aktuella studien använde teamet VLT, som med sin 8,2-metersspegel har stor ljusinsamlingsförmåga, för att genomföra spektroskopiska observationer av galaxer som tidigare identifierats av NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble och i långa exponeringar gjorda med VLT.

Noter

[1] Den mest avlägsna galaxen som hittills rapporterats, vars avstånd uppmätts med spektroskopi, har en rödförskjutning på 8,6. Det betyder att vi ser den som den var 600 miljoner år efter big bang (eso1041). En kandidatgalax som tros ha en rödförskjutning på cirka 10 (motsvarande 480 miljoner år efter big bang) har identifierats av Hubbleteleskopet, men dess avstånd har ännu inte bekräftats. Den mest avlägsna galaxen i denna studie har en rödförskjutning på 7,1, vilket placerar den 780 miljoner år efter big bang. Det nutida universum är 13,7 miljarder år gammalt. I denna nya samling av fem galaxer som kunnat bekräftas i Lyman-alfa-ljus (identifierade bland 20 kandidater) återfinns hälften av alla galaxer med rödförskjutningar större än 7.

[2] När de första stjärnorna och galaxerna bildades var universum fullt av elektriskt neutral vätgas, som absorberar ultraviolett ljus. När den ultravioletta strålningen från dessa tidiga galaxer exciterade gasen och gjorde den laddad (joniserad) blev den gradvis genomskinlig för det ultraviolett ljuset. Astrofysiker kallar denna process återjonisering, därför att vätgasen tros ha varit joniserad även under en kort period under de första 100 000 år efter big bang.

[3] Forskarna mätte vätedimmans påverkan med spektroskopi. Denna teknik går ut på att dela upp och sprida ut ljuset från galaxen i dess olika färger, ungefär på samma sätt som en prisma delar solens ljus och gör en regnbåge.

[4] Forskarna använde VLT för att studera spektra av 20 kandidatgalaxer med rödförskjutningar runt 7. Dessa hade hittats i djupa bilder av tre skilda områden på himlen. Av dessa 20 källor hade fem tydlig emission i Lyman-alfa-linjen. Detta är för närvarande den enda samlingen av spektroskopiskt bekräftade galaxer med ungefärliga rödförskjutningar på 7.

[5] På grund av universums expansion sträcks ut ljuset från en himlakropp medan ljuset far igenom rymden så att dess väglängd ökar. Ju längre som ljuset färdas, desto mer sträcks våglängden ut. Rött är den längsta våglängden av ljus som våra ögon kan se, och den röda färgen som effekten skänker till mycket avlägsna objekt har kommit att kallas “rödförskjutning”. Den är ett mått på hur mycket ett objekts färg har påverkats av universums utvidgning. Därmed blir det även ett mått på både objektets avstånd och vid vilken tid efter big bang som vi observerar det.

[6] Astronomer delar upp stjärnor i tre kategorier som kallas Population I, Population II and Population III. Stjärnor i Population I, som vår sol, är rika på tunga grundämnen som tillverkats i mitten av äldre stjärnor och i supernovaexplosioner. Då dessa grundämnen görs av spillrorna efter tidigare stjärngenerationer uppstod de först när Universum blev äldre. Stjärnor i Population II innehåller mindre mängder med tunga grundämnen och består till största del av väte, helium och litium som skapades under big bang. Dessa är äldre stjärnor men de är ändå många som lever kvar i dagens universum. Stjärnor som tillhör Population III har aldrig observerats direkt, men tros ha förekommit när universum var ännu ungt. Dessa stjärnor innehöll endast material som skapades i big bang och därför saknade de tunga grundämnen helt. På grund av de tyngre grundämnens roll i hur stjärnor bildas kunde bara mycket stora, kortlivade stjärnor bildas under den här tiden. Samtliga Population III-stjärnor slutade sina liv som supernovor under universums tidiga år. Fram tills nu har inga övertygande bevis för förekomsten av Population III-stjärnor ens i observationer av mycket avlägsna galaxer lagts fram.

Mer information

Forskningsresultaten presenterades i artikeln “Spectroscopic Confirmation of z∼7 LBGs: Probing the Earliest Galaxies and the Epoch of Reionization”, som publiceras i tidskriften Astrophysical Journal.

Teamet består av 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) och P. Santini (INAF-OAR).

ESO, Europeiska sydobservatoriet, är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 15 länder: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop: VISTA, som observerar infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop, samt VST, det största teleskopet som konstruerats för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO bidrar dessutom till ALMA, ett revolutionerande astronomiskt teleskop och världens hittills största astronomiska projekt. ESO planerar för närvarande bygget av ett europeiskt extremt stort teleskop i 40-metersklass för synligt och infrarött ljus, E-ELT. Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

Länkar

• Forskningsartikeln
• Foton på VLT

Kontakter

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

Dr. Adriano Fontana
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Tel: +39 06 94 286 456
E-post: 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-post: rhook@eso.org

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso1138 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.