En brådmogen galax i det unga universum

Astronomer vid bland annat Chalmers har hittat mängder av stoft och damm i en av de mest avlägsna galaxer som hittills har observerats. Upptäckten publiceras i Nature och är den första av sitt slag i en så avlägsen galax – ett spännande tecken på att galaxernas utveckling gick snabbt efter big bang.

En internationell forskargrupp där Kirsten Knudsen från Chalmers ingår har använt jätteteleskopen Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) och ESO:s VLT (Very Large Telescope) för att observera en av de yngsta och mest avlägsna galaxerna som hittills upptäckts. De överraskades när de upptäckte att systemet var långt mer utvecklat än man förväntat sig. Andelen stoft och damm i galaxen liknar den hos mer mogna galaxer, som till exempel Vintergatan. Stoft av det här slaget är viktigt för uppkomsten av liv eftersom det spelar en roll i hur planeter, komplexa molekyler och normala stjärnor bildas.

I observationerna studerade man galaxen A1689-zD1. Den går att studera eftersom dess ljusstyrka förstärks mer än nio gånger tack vare den spektakulära galaxhopen Abell 1689, som ligger mellan den unga galaxen och jorden och som fungerar som en gravitationslins. Om det inte var för den gravitationella förstärkningen så hade skenet från denna väldigt bleka galax varit alltför svagt för att kunna upptäckas. Galaxen pekades tidigare ut som mycket avlägsen i bilder från Hubbleteleskopet, men avståndet kunde då inte mätas tillräckligt noggrant.

Vi ser A1689-zD1 när universum var bara drygt 700 miljoner år gammalt – fem procent av dess nuvarande ålder (en rödförskjutning på 7,5). Det är en relativt blygsam galax – den har mycket mindre massa och lyser svagare än många andra objekt som tidigare studerats i det här skedet av det unga universum. Därför är den också ett mer typiskt exempel på en galax från den tiden.

A1689-zD1 är synlig som den var under en period i universums barndom som kallas återjoniseringens tidsålder. Då förde de första stjärnorna med sig en kosmisk gryning som lyste upp ett enormt och genomskinligt universum och som satte punkt för kosmos så kallade mörka år. Man förväntade sig att den skulle se ut som ett nybildat system, men galaxen överraskade astronomerna med sin rika kemisk sammansättning och stora mängder av interstellärt stoft.

Forskarna kunde bekräfta galaxens avstånd med hjälp av VLT, men de upptäckte dessutom att galaxen tydligt detekterats av Alma-observatoriet. Ett av de främsta målen med Alma har varit att upptäcka galaxer från det unga universum med hjälp av ljus från deras kalla gas- och stoftreserver.

– Tidigare har ingen sett en så avlägsen galax som lyser starkt på grund av stoft och damm. Det var en rejäl överraskning för oss att hitta den också med Alma. Den här galaxen är en riktigt imponerande stjärnfabrik, säger Kirsten Knudsen.

Galaxen är ett kosmiskt spädbarn – men den visade sig vara brådmogen. Vid en sådan ålder förväntade man sig en brist på tyngre grundämnen, det vill säga allt tyngre än väte och helium (inom astronomin kallas dessa metaller). Tyngre grundämnen tillverkas i stjärnornas innanmäten och sprids ut i rymden när stjärnorna exploderar eller dör på annat vis. Den här processen måste upprepas under flera stjärngenerationer för att producera tillräckligt av tyngre grundämnen som kol, syre och kväve.

Överraskande nog så ser det ut som galaxen A1689-zD1 skickar ut mycket långvågigt infrarött ljus. Ljuset har sträckts ut av universums expansion så pass att det har våglängd kring en millimeter när det når jorden och kan därför upptäckas av Alma. Att den lyser starkt är ett tecken på att galaxen redan har bildat många av sina stjärnor och avsevärda mängder tyngre grundämnen. Den innehåller mycket stoft, och har dessutom ett förhållande mellan stoft och gas som liknar det hos långt mognare galaxer.

– Fastän det exakta ursprunget till stoft och damm i galaxen fortfarande är okänt så visar våra upptäckter att det tillverkades väldigt snabbt, inom 500 miljoner år efter att stjärnor började bildas i universum. Kosmiskt sett är det en väldigt kort tidsram med tanke på att de flesta stjärnor lever under flera miljarder år, förklarar Darach Watson, astronom vid Köpenhamns universitet, som har lett forskarteamet.

Enligt forskningen tycks A1689-zD1 ha bildat stjärnor kontinuerligt i en måttlig takt sedan 560 miljoner år efter big bang. Alternativt kan den ha gått igenom en fas av extrem stjärnbildning som sedan avtog.

– Den här överraskande dammiga galaxen verkar ha haft bråttom att börja skapa sin första generation av stjärnor. I framtiden kommer Alma att kunna hjälpa oss att hitta fler galaxer som denna och försöka lära oss vad som gör dem så ivriga på att växa upp, avslutar Kirsten Knudsen.

Bildtext: Den här magnifika bilden, tagen av NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble, visar den rika galaxhopen Abell 1689. Galaxhopens stora koncentration av massa böjer ljuset från objekt som ligger bortom den, och förstärker dessutom deras ljus så att de blir synliga. Ett sådant objekt, A1689-zD1, ligger inuti rutan men är alltför ljussvagt för att kunna synas tydligt i den här bilden. Nya observationer med teleskopen Alma och VLT har avslöjat att objektet är en dammig galax som vi ser när universum bara var 700 miljoner år gammalt.

Bild: NASA; ESA; L. Bradley; R. Bouwens; H. Ford; G. Illingworth

FAKTA
Om forskningen:
Forskningsresultaten presenteras i en artikel med titeln “A dusty, normal galaxy in the epoch of reionization” av D. Watson m. fl., och publiceras online i tidsskriften Nature den 2 mars 2015.

I forskarlaget ingår D. Watson (Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, Danmark), L. Christensen (Köpenhamns universitet), Kirsten Kraiberg Knudsen (Chalmers), J. Richard (CRAL, Observatoire de Lyon, Saint Genis Laval, Frankrike), A. Gallazzi (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Firenze, Italien) och M. J. Michalowski (SUPA, Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Storbritannien).

Om ESO:
ESO – European Southern Observatory – är Europas främsta mellanstatliga organisation för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. ESO bistår astronomer med toppmoderna forskningsanläggningar med stöd från Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Polen, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO har byggt och driver ett antal av världens mest kraftfulla markbaserade astronomiska teleskop.

Om Alma:
Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) är ett teleskop som består av 66 gigantiska 12-meters och 7-metersteleskop och som ligger 5000 meter över havet på Chajnantorplatån i norra Chile. Alma är ett samarbete mellan Europa, Nordamerika och Ostasien i samverkan med Chile, och är världens hittills största astronomiska projekt. Chalmers och Onsala rymdobservatorium har varit med sedan starten och bland annat byggt mottagare till Alma. Vid Onsala rymdobservatorium finns Nordic Alma Regional Centre som tillhandahåller teknisk expertis om Alma och som hjälper nordiska astronomer att använda teleskopet.

Kontaktinformation
Robert Cumming, astronom och informatör, Onsa
la rymdobservatorium vid Chalmers, 031-772 5500, 070-493 31 14, robert.cumming@chalmers.se. Kirsten Knudsen, docent i astronomi, Chalmers, 031-772 5526 eller 070-975 0956, kirsten.knudsen@chalmers.se