eso1138no — Pressemelding

Fjerne galakser avslører hvordan den kosmiske disen lettet

Nye VLT-observasjoner kartlegger reionisasjonens tidslinje

12 October 2011

Ved hjelp av ESOs Very Large Telescope (VLT) har forskere undersøkt tidsperioden i det tidlige univers da det gradvis ble gjennomsiktig for ultrafiolett lys. Denne korte, men dramatiske fasen i universets historie – kjent som reionisasjonsæraen – inntraff rundt 13 milliarder år siden. Ved å nøye studere noen av de fjerneste galakser man kjenner til, har astronomene for første gang klart å sette opp en tidslinje over reionisasjonen. De oppdaget også at denne perioden må ha vært kortere enn tidligere antatt.

Et internasjonalt team av astronomer har brukt VLT for å observere flere av de fjerneste galakser som noensinne er oppdaget. Teleskopet fungerer på en måte som en tidsmaskin man kan undersøke det tidlige univers med. Forskerne klarte å beregne galaksenes avstander med stor nøyaktighet, og det viser seg at vi ser dem slik de framstod da universet var mellom 780 millioner og en milliard år gammelt [1]. Universets alder i dag er 13,7 milliarder år.

Ut fra de nye observasjonene har astronomer for første gang kunnet lage en tidslinje over det som kalles reionisasjonsæraen [2]. I løpet av denne perioden tidlig i universets historie "lettet" disen av hydrogengass og gjorde det mulig for ultrafiolett lys å slippe fritt gjennom for første gang. Resultatene, som presenteres i en kommende forskningsartikkel i Astrophysical Journal, bygger på en langvarig og systematisk leting etter fjerne galakser. Observasjonene er utført med VLT over de seneste tre år.

"Arkeologer kan rekonstruere fortiden her på Jorda på bakgrunn av gjenstander og levninger de finner i ulike jordlag når de gjør utgravninger. Astronomer har et fortrinn: Vi kan studere den fjerne fortid direkte ved å observere det svake lyset fra ulike galakser som befinner seg i ulike perioder i universets utvikling," forklarer prosjektleder Adriano Fontana (INAF Rome Astronomical Observatory). "Forskjellene mellom galaksene sier oss noe om de hvordan og hvor raskt forholdene i universet endret seg i løpet av denne viktige, tidlige epoken."

Ved tilførsel av energi lyser ulike grunnstoffer kraftig på visse karakteristiske bølgelengder eller farger. Disse kalles emisjonslinjer. En av de sterkeste ultrafiolette emisjonslinjene er Lyman-alfa-linjen, som stammer fra glødende hydrogengass [3]. Den er tilstrekkelig sterk og lett gjenkjennelig til at den kan sees selv i observasjoner av svært lyssvake og fjerntliggende galakser.

Astronomteamet fant Lyman-alfa-linjen i fem svært fjerne galakser [4], noe som var avgjørende av to grunner: Ved å observere hvor langt linjen var forskjøvet mot den røde delen av lysspekteret, kunne de bestemme galaksenes avstander og dermed hvor tidlig etter Big Bang vi ser hver av dem [5]. På bakgrunn av dette kunne de plassere galaksene i kronologisk rekkefølge og se hvordan lyset fra galaksene endret seg over tid. Astronomene kunne i tillegg se i hvilken grad Lyman-alfa-strålingen, som sendes ut av glødende hydrogengass i galaksene, ble reabsorbert av den nøytrale "hydrogendisen" i det intergalaktiske rom ved ulike tidsperioder.

"Vi ser en dramatisk forskjell mellom de tidligste og de seneste galaksene i utvalget vårt når det gjelder hvor mye av deres ultrafiolette lys som ble blokkert," sier hovedforfatteren av forskningsartikkelen, Laura Pentericci (INAF Rome Astronomical Observatory). "Når universet var bare 780 millioner år gammelt, var det nokså rikelig med nøytralt hydrogen i verdensrommet. Det fylte mellom 10 % og 50 % av universets volum. Men kun 200 millioner år senere var mengden nøytralt hydrogen sunket til et meget lavt nivå, omtrent det samme som vi har i dagens univers. Det ser altså ut til at reionisasjonen skjedde raskere enn det astronomene hittil har antatt."

I tillegg til å undersøke hvor raskt denne urdisen lettet, gav teamets observasjoner også hint om hva som kunne være kilden til den ultrafiolette strålingen som tilførte den nødvendige energien til reionisasjonsprosessen. Det finnes flere konkurrerende teorier for hvor dette lyset kom fra – de to heteste kandidatene er universets første generasjon stjerner [6], og den intense strålingen som sendes ut idet materie suges inn mot sorte hull.

"Detaljerte analyser av det svake lyset fra to av de fjerneste galaksene vi fant, tyder på at den aller første generasjon stjerner kan ha bidratt til den observerte energien," sier teammedlem Eros Vanzella (INAF Trieste-observatoriet). "Disse ville vært meget unge og massive stjerner, omkring fem tusen ganger yngre og hundre ganger mer massiv enn Sola, og kan ha vært energirike nok til å løse opp urdisen og gjøre den gjennomsiktig."

De svært nøyaktige målingene som kreves for å bekrefte eller motbevise denne hypotesen, og vise at stjernene kan produsere den nødvendige energien, fordrer observasjoner fra rommet eller med ESOs planlagte European Extremely Large Telescope, som vil være verdens største øye mot himmelen når det står ferdig tidlig neste tiår.

Å studere denne tidlige epoken i den kosmiske historie er teknisk krevende. Det forutsetter nøyaktige observasjoner av ekstremt fjerne og lyssvake galakser, en oppgave som bare kan løses med de aller kraftigste teleskopene vi har. I dette forskningsprosjektet dro teamet nytte av den store lyssamlende evnen til VLT (8,2 meters hovedspeil) da de foretok spektroskopiske observasjoner av galakser som opprinnelig hadde blitt oppdaget av Romteleskopet Hubble (NASA/ESA) og i lange eksponeringer gjort med VLT selv.

Fotnoter

[1] Den fjerneste galakse man kjenner til og som har fått avstanden bestemt ved hjelp av spektroskopi, har en rødforskyvning på 8,6. Det plasserer den tidsmessig ca. 600 millioner år etter Big Bang (eso1041). Romteleskopet Hubble har identifisert en annen kandidat med antatt rødforskyvning på 10 (tilsvarende 480 millioner år etter Big Bang), men avstanden er foreløpig ikke bekreftet. Den fjerneste galaksen i denne studien har en rødforskyvning på 7,1, noe som plasserer den 780 millioner år etter Big Bang. Universet i dag er 13,7 milliarder år gammelt. Det nye utvalget bestående av fem galakser med Lyman-alfa-linjer (av totalt 20 kandidater) inkluderer halvparten av alle kjente galakser med rødforskyvning større enn 7.

[2] I tiden da de første stjerner og galakser ble til, var universet fylt med elektrisk nøytral hydrogengass, som absorberer ultrafiolett lys. Etter hvert som den ultrafiolette strålingen fra de tidlige galaksene eksiterte gassen og gjorde den elektrisk ladet (dvs. ionisert), ble den mer og mer gjennomsiktig for ultrafiolett lys. Prosessen har fått navnet reionisasjon, med forstavelsen "re" fordi man antar at det fantes en kort periode i løpet av universets første hundre tusen år der hydrogenet også var ionisert.

[3] Teamet undersøkte hydrogendisens påvirkning på galakselyset ved hjelp av spektroskopi. Teknikken innebærer at lyset fra galaksen splittes opp i de ulike fargene det består av, ikke ulikt måten et prisme deler opp hvitt lys i alle regnbuens farger.

[4] Teamet brukte VLT til å studere spektrene til 20 galaksekandidater med rødforskyvning på omtrent 7. Kandidatene ble funnet i tre forskjellige himmelområder på bilder med meget lang eksponeringstid. Det ble oppdaget klare Lyman-alfa-linjer hos fem av disse 20 objektene. Dette er så langt det eneste utvalget av galakser man har med spektroskopisk bestemt rødforskyvning på rundt 7.

[5] En følge av universets utvidelse er at lysets bølgelengde blir strukket mens det farer gjennom rommet. Jo lengre reise lyset har, desto lengre blir bølgelengden. Alle bølgelengder blir forskjøvet mot lengre – altså "rødere" – bølgelengder, og svært fjerne objekter har derfor ofte en karakteristisk rød farge. Selv om denne såkalte rødforskyvningen teknisk sett er et mål på hvor mye fargen til objektets lys har blitt forandret i løpet av reisen, angir den også objektets avstand og hvor lenge etter Big Bang vi ser det.

[6] Astronomer deler stjerner inn i tre kategorier kjent som Populasjon I, Populasjon II og Populasjon III. Populasjon I-stjerner, deriblant Sola, er rik på tyngre grunnstoffer, som er blitt til i sentrum av gamle stjerner og i supernovaeksplosjoner. De er bygd opp av restene etter tidligere stjernegenerasjoner og ble således født senere i universets historie. Populasjon II-stjerner har mindre andel tyngre grunnstoffer og består hovedsakelig av hydrogen, helium og litium, som ble skapt i Big Bang. Disse er eldre stjerner, og tross høyere alder enn Populasjon I-stjernene finnes det likevel mange av dem i dagens univers. Populasjon III-stjerner er derimot aldri observert direkte, men antas å ha eksistert i universets tidlige stadier. Siden disse ble dannet utelukkende av det materialet som ble produsert i Big Bang, kunne de ikke ha inneholdt noen tyngre grunnstoffer overhodet. På grunn av de tyngre elementenes rolle i stjernedannelsesprosessen, kunne det på dette stadiet bare fødes svært store stjerner med meget korte livsløp. Resultatet ble at alle Populasjon III-stjernene endte sine korte liv som supernovaer i universets barndom. Det finnes så langt ingen sikre bevis på Populasjon III-stjerner selv i observasjoner av svært fjerne galakser.

Mer informasjon

Studien presenteres i en kommende forskningsartikkel i journalen Astrophysical Journal: "Spectroscopic Confirmation of z∼7 LBGs: Probing the Earliest Galaxies and the Epoch of Reionization".

Forskerteamet består av L.Pentericci (INAF Osservatorio Astronomico di Roma, Italia [INAF-OAR]),  A. Fontana (INAF-OAR), E. Vanzella (INAF Osservatorio Astronomico di Trieste, Trieste, Italia [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, European Southern Observatory, er den fremste mellomstatlige astronomiorganisasjonen i Europa og verdens mest produktive astronomiske observatorium. Organisasjonen er finansiert av 15 land: Belgia, Brasil, Danmark, England, Finland, Frankrike, Italia, Nederland, Portugal, Spania, Sveits, Sverige, Tsjekkia, Tyskland og Østerrike. ESOs ambisiøse virksomhet fokuserer på design, bygging og drifting av effektive bakkebaserte observasjonsanlegg for å muliggjøre banebrytende vitenskapelige oppdagelser. ESO spiller også en ledende rolle i å fremme og organisere samarbeid innenfor astronomisk forskning. ESO driver tre unike, verdensledende observatorier i Chile: La Silla, Paranal og Chajnantor. Ved Paranal driver ESO Very Large Telescope, verdens mest avanserte astronomiske observatorium for synlig lys, og to såkalte kartleggingsteleskop. VISTA observerer i infrarødt og er verdens største kartleggingsteleskop, mens VLT Survey Telescope er det største teleskopet som er designet utelukkende for himmelkartlegginger i synlig lys. ESO er den europeiske partner i et revolusjonerende teleskop kalt ALMA, nåtidens største astronomiprosjekt. ESO planlegger for tiden et ekstremt stort optisk/nær-infrarødt teleskop som har fått betegnelsen E-ELT: European Extremely Large Telescope. Med en speildiameter på rundt 40 meter vil dette bli det største "øye" i verden som skuler opp på himmelen.

Linker

Kontakter

Jan-Erik Ovaldsen
Oslo, Norge
E-post: j.e.ovaldsen@astro.uio.no

Andreas O. Jaunsen
Oslo, Norge
Mob.: +47 99 59 88 00
E-post: ajaunsen@gmail.com

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

Dr. Adriano Fontana
INAF Rome Astronomical Observatory
Rome, Italy
Tlf.: +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
Tlf.: +49 89 3200 6655
E-post: rhook@eso.org

Dette er en oversettelse av ESOs pressemelding eso1138 i regi av ESON, et nettverk av personer i ESOs medlemsland (samt noen utenfor ESO, som Norge) som fungerer som lokale mediekontakter i forbindelse med pressemeldinger og andre nyheter fra ESO. Norske kontakter er astronomene Jan-Erik Ovaldsen og Andreas O. Jaunsen. Pressemeldingen er oversatt av JEO.

Om pressemeldingen

Pressemld. nr.:eso1138no
Navn:Galaxies, NTTDF-474
Type:• Early Universe : Galaxy
• Early Universe : Cosmology
Facility:Very Large Telescope
Science data:2011ApJ...743..132P

Bilder

Artist’s impression of galaxies at the end of the era of reionisation (artist’s impression)
Artist’s impression of galaxies at the end of the era of reionisation (artist’s impression)
kun på engelsk
A galaxy seen when the Universe was only 820 million years old
A galaxy seen when the Universe was only 820 million years old
kun på engelsk
A galaxy seen when the Universe was only 840 million years old
A galaxy seen when the Universe was only 840 million years old
kun på engelsk

Videoer

Animation of artist’s impression of galaxies at the end of the era of reionisation
Animation of artist’s impression of galaxies at the end of the era of reionisation
kun på engelsk

Se også