Astronomer observerer melkeveislignende galakser i tidlig univers


Kunstnerens inntrykk av en forfedrer av Melkeveis-galaksen i det tidlige universet med en bakgrunnsquasar som skinner gjennom en "superhalo" av hydrogengass rundt galaksen. Nye ALMA observasjoner av to slike galakser viser at disse store haloene strekker seg langt utover galaksenes støvete stjerneformende disker.

Kunstnerens inntrykk av en forfedrer av Melkeveis-galaksen i det tidlige universet med en bakgrunnsquasar som skinner gjennom en "superhalo" av hydrogengass rundt galaksen. Nye ALMA observasjoner av to slike galakser viser at disse store haloene strekker seg langt utover galaksenes støvete stjerneformende disker. NRAO, AUI, NSF

Følgende essay skrives ut med tillatelse fra The Conversation, en nettpublikasjon som dekker den nyeste forskningen.

Hvordan danner en galakse som vår egen Milky Way? Hittil har det vært mye innflytelse involvert i å besvare det spørsmålet.

Den grunnleggende historien er at gass samler inn mot sfæriske "halos" av saken. Gassen avkjøler, kondenserer, fragmenter og til slutt kollapser for å danne stjerner. Generasjoner av stjerner bygger opp galaksen og med den produksjonen av tunge elementer - som karbon, oksygen og så videre - som fyller vårt periodiske bord og omfatter vår kjente fysiske verden.

Astrofysikere som meg har kuttet sammen dette bildet, i stor grad takket være teoretisk forskning. Vi løser numeriske simuleringer på verdens største superdatamaskiner for å fange prosessene som styrer galakseformasjon-gravitasjonssammenbrudd, oppvarming, radiativ kjøling i høy troskap.

For å studere mange av disse prosessene var vi stort sett begrenset til denne typen teoretisk forespørsel fordi vi ikke hadde den tekniske kapasiteten til å observere dem. Men ting har endret seg som vi har sett oppgangen til det vi ser på de "store observatoriene": NASAs Hubble-romteleskop, de to 10m Keck Telescopes på Manua Kea, Hawaii, og senest Atacama Large Millimeter / submillimeter Array ALMA) i Nord-Chile. Med disse fasilitetene har astronomer forsøkt å teste og forfinne prinsippene om galakseformasjonsteori, spesielt prosessene som styrer galaksamlingen og stjernedannelsen.

De nye dataene vår gruppe publiserer basert på observasjoner fra ALMA, er virkelig transformative i forhold til tidligere observasjoner. De tillater oss å direkte vise gassen i nestende galakser - noe som var umulig før - og derved teste våre grunnleggende spådommer om galakseformasjon.

Den fysiske utfordringen

Når vi prøver å observere fjerntliggende galakser direkte, er den viktigste utfordringen det svært svake signalet som når jorden fra slike store avstander. Lyset fra de to galakser som ble studert i vår publikasjon, har for eksempel reist 12 milliarder lysår for å komme hit. Dette betyr også at lyset ble slukket for 12 milliarder år siden, da universet var bare 1, 5 milliarder år gammel og galakser var bare ungdommer. Og jeg er spesielt interessert i å studere gassen som brenner stjerneformasjon, noe som er spesielt vanskelig å oppdage.

For å løse denne utfordringen, startet 1986 vår gruppe ledet av den sene Arthur M. Wolfe på en indirekte måte å studere fjerne galakser. I stedet for å fokusere på galakserne selv, registrerte vi lyset fra kvasarer som er enda lenger unna oss. Dette tillater oss å sonde gass i forgrunns-galakser.

Kvasarer er svært lyse gjenstander som drives av supermassive sorte hull. Når kvasarets lys beveger seg gjennom den galaktiske gassen vi faktisk er interessert i, sprer atomer i gassen en liten del av lyset ved veldefinerte bølgelengder. Det er disse såkalte absorpsjons signaturene i quasars spektrum som vi fokuserer på. Gassen er påtrykt signaturen på lyset vi kan samle inn med våre teleskoper.

Vi passerer lyset vårt teleskop samles gjennom et spektrometer, et instrument som lar oss studere lysstyrken som en funksjon av bølgelengden. Da kan vi konkludere at det faktisk finnes gass tilstede mellom oss og kvasaren, og vi kan kvantitativt måle forskjellige egenskaper av gassen.

Arthur brukte spektrometre ved den primære observasjonspakken ved Universitetet i California Observatorier, første instrumenter på Shane 3-teleskopet til Lick Observatory og deretter, etter å ha blitt bestilt, ledet forskning på de kraftige Keck-teleskopene. Disse dataene gir estimater på gass overflate tetthet, tung element anrikning, molekylært innhold og dynamiske bevegelser av galaksen.

Dette observasjonseksperimentet er imidlertid begrenset. Det gir lite informasjon om galakseens masse, størrelse eller stjernedannelse - alt som er grunnleggende for en galakse sminke. Det er kritisk at vi måler disse egenskapene for å forstå formasjonshistorien til galakser som vår Melkevei.

Neste generasjon observasjoner

I 2003 rapporterte vi at det fremtidige ALMA-teleskopet ville være en ekte spillveksler ved å gjøre det mulig for oss å direkte imellom gassen i nærliggende galakser. Vi måtte vente over et tiår for å begynne mens teleskopet ble bygget, så vi hadde god tid til å nøye identifisere de optimale målene og forfine våre observasjonsstrategier.

Alt venter og planlegger har nå lønnet seg. Arthurs siste Ph.D. student, Marcel Neeleman, nettopp publisert våre første resultater med ALMA og dataene er spektakulære. Her, i motsetning til vårt tidligere arbeid, måler vi lys fra gassen i galaksen selv, noe som avslører størrelsen og formen til de stjernedannende områdene. Og det vi så, var ikke det vi forventet.

ALMA samler lys ved bølgelengder som ikke er synlige for det menneskelige øye. Vi fokuserte på to kilder i våre målgalaksier: ionisert karbon og varmt støv, som begge omgir fødestedet til nye stjerner. Vi var i stand til å lage kart basert på lyset fra ionisert karbon i en galakse som vi først oppdaget ved absorpsjon, via vår gamle teknikk.

Bemerkelsesverdig er den tette, stjernedannende gassen i galaksen i stor grad motvirket av hydrogengassen som opprinnelig ble avslørt av kvasar-spektret (med ca. 100 000 lysår eller 30 kiloparsek). Denne avstanden viser at unge galakser er omgitt av et massivt reservoar av ikke-ionisert, nøytral gass. Vi foreslår videre at gass oppdaget i absorpsjon sannsynligvis vil akseptere tilbake på galaksen og brenne fremtidige generasjoner av stjerner.

ALMA-dataene løser også unikt de indre bevegelsene til galakseens gass. Analysen av dynamikken indikerer at gassen er konfigurert i en stor plate, tilsvarende vår Milky Way, og roterer med en hastighet på ca. 120 km / s. Denne hastigheten er karakteristisk for hvilken teori som forutser forgjengerne til denne typen galakse.

Til slutt oppdaget vi utslipp fra "varmt" støv i galaksen. (Selvfølgelig er varm relativ - i dette tilfellet bare ca 30 grader Celsius over absolutt null.) Vi tror støvet oppvarmes av unge massive stjerner; vi anslår at galaksen danner stjerner med en hastighet på over 100 soler per år, en forbløffende og forgjengelig hastighet.

Disse dataene viser ALMAs potensial og potensial til å oppdage og dissekere forfedrene til galakser som vår egen. De vil være uvurderlige for å forfine vår forståelse - i rom og tid - for å bygge opp galakser.

Mens mange av oss i samfunnet holdt noen forbehold om ALMA (gitt sin gode pris), er det nå klart for meg at utbetalingen vil bli ekstraordinær. ALMA-forskning har allerede lønnet seg i oppdagelsen av protoplanetiske disker, hvorfra planeter danner og låser opp skjulte hemmeligheter i stjernedannelsesprosessen. Og ALMA vil fortsette å styrke vår forståelse av hvordan galakser som Melkeveien danner.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation. Les den opprinnelige artikkelen.

Når det kommer til fotosyntese, utfører planter kvantumberegningOceanic Dead Zones Fortsett å spreAstronautene tar første biter av salat vokst i rommetSoaring City SlickersVil fornyet interessen for kjernefysisk kraft gjenopplive uranindustrien?Hva er neste for NASAs nye astronautklasse?Gå FjerdeTopp Sci / Tech Gaver 2003