ALMA pisze na nowo historię gwiezdnego wyżu demograficznego Wszechświata

ALMA - obrazy soczewkowanych grawitacyjnie galaktyk gwiazdotwórczych
Obrazy soczewkowanych grawitacyjnie galaktyk gwiazdotwórczych z krańców Wszechświata. Dane z ALMA (kolor czerwony) nałożone na zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.
ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), J. Vieira et al.

Obserwacje wykonane za pomocą Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) pokazują, że najgwałtowniejsze wybuchy narodzin gwiazd w kosmosie miały miejsce znacznie wcześniej niż dotychczas sądzono. Wyniki opublikowano w serii artykułów, które ukażą się 14 marca 2013 r. w „Nature” oraz w „Astrophysical Journal”. Badania są najnowszym przykładem odkryć pochodzących z nowego międzynarodowego obserwatorium ALMA, które dzisiaj zostało uroczyście otwarte.

Uważa się, że najintensywniejsze wybuchy narodzin gwiazd następowały we wczesnym Wszechświecie, w masywnych, jasnych galaktykach. Te galaktyki gwiazdotwórcze w szalonym tempie przekształcały olbrzymie rezerwuary kosmicznego gazu i pyłu w nowe gwiazdy – setki razy szybciej niż dostojne galaktyki spiralne, takie jak nasza własna Droga Mleczna. Patrząc dalej w kosmos, na galaktyki tak odległe, że ich światło potrzebuje wielu miliardów lat, aby do nas dotrzeć, astronomowie mogą obserwować ten okres intensywnej młodości Wszechświata.

„Im dalsza galaktyka, tym dalej wstecz w czasie patrzymy, a więc mierząc odległości możemy złożyć razem układankę na osi czasu, na ile żwawo Wszechświat w różnych stadiach tworzył nowe gwiazdy w ciągu swojej mającej 13,7 miliardów lat historii” powiedział Joaquin Vieira (California Institute of Technology, USA), kierownik zespołu badawczego i główny autor artykułu w czasopiśmie Nature.

Międzynarodowy zespół badaczy odkrył najpierw te odległe i enigmatyczne galaktyki gwiazdotwórcze za pomocą 10-metrowego South Pole Telescope (SPT), należącego do amerykańskiej National Science Foundation, a następnie wykorzystał teleskopy ALMA do dokładniejszego zbadania gwiezdnego wyżu demograficznego w młodym Wszechświecie. Naukowcy byli zaskoczeni, gdy stwierdzili, że wiele z odległych, zapylonych galaktyk gwiazdotwórczych znajduje się jeszcze dalej niż sądzono. Oznacza to, że ich procesy gwiazdotwórczy następowały 12 miliardów lat temu (uśredniając), gdy Wszechświat miał mniej niż 2 miliardy lat – cały miliard lat wcześniej niż uważano do tej pory.

Dwie z tych galaktyk są najdalszymi zaobserwowanymi obiektami swojego typu – tak odległymi, że ich światło rozpoczęło swoją podróż gdy Wszechświat miał tylko jeden miliard lat. Co więcej, w jednej z rekordzistek wykryto molekuły wody, co oznacza obserwacje najdalej występującej wody w kosmosie spośród wyników opublikowanych do tej pory.

Zespół wykorzystał niepobitą czułość teleskopów ALMA, aby zarejestrować światło od 26 tego typu galaktyk na falach od długości około trzech milimetrów. Światło na pewnej specyficznej długości fali może być wytwarzane przez molekuły gazu z tych galaktyk, ale zostało rozciągnięte przez rozszerzanie się Wszechświata w ciągu miliardów lat swojej podróży, zanim dotarło do nas. Mierząc rozciągnięte światła astronomowie mogą obliczyć jak długo trwała jego podróż i umiejscowić galaktykę we właściwym momencie kosmicznej historii.

„Czułość ALMA i szeroki zakres długości fali oznaczają, że możemy wykonywać nasze pomiary w ciągu zaledwie kilku minut na galaktykę – około sto razy szybciej niż wcześniej” powiedział Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie w Bonn, Germany), który kierował pomiarami odległości do galaktyk. „Do tej pory pomiary tego typu były pracochłonnym procesem łączenia danych z teleskopów światła widzialnego i fal radiowych”.

W większości przypadków obserwacje ALMA samodzielnie wystarczają do sprecyzowania odległości, ale dla kilku galaktyk zespół połączył dane z ALMA z pomiarami z innych teleskopów, w tym Atacama Pathfinder Experiment (APEX) oraz Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), należącego do ESO [1].

Astronomowie używali jedynie częściowej sieci 16 gigantycznych anten ALMA (pełna sieć ma 66 anten), gdyż obserwatorium było w trakcie budowy na wysokości 5000 metrów n.p.m. na odległym płaskowyżu Chajnantor w Andach Chilijskich. Po ukończeniu ALMA będzie jeszcze czulsza i będzie w stanie wykryć słabsze galaktyki. Na razie astronomowie wycelowali anteny w jaśniejszą z opisywanej pary. Skorzystali z pomocnej dłoni natury: użyli soczewkowania grawitacyjnego, efektu przewidzianego przez ogólną teorię względności Einsteina, gdy światło z odległej galaktyki jest zaburzone przez grawitacyjne oddziaływanie bliższej galaktyki, która działa jak soczewka i powoduje, że odległy obiekt wydaje się jaśniejszy.

Aby zrozumieć dokładnie o ile soczewkowanie grawitacyjne rozjaśniło widok galaktyki, zespół uzyskał ostre obrazy wykonując więcej obserwacji za pomocą ALMA na falach o długości około 0,9 milimetra.

„Piękne zdjęcia z ALMA ukazują galaktyki tła zakręcone w wielokrotne łuki światła, znane jako pierścienie Einsteina, które otaczają galaktykę leżącą bliżej” powiedział Yashar Hezaveh (McGill University, Montreal, Kanada), kierownik badań nad soczewkowaniem grawitacyjnym. „Używamy wielkich ilości ciemnej materii otaczającej galaktyki w połowie rozmiaru Wszechświata jako kosmicznych teleskopów do powiększenie i pojaśnienia bardziej odległych galaktyk”.

Analizy zaburzeń wskazują, że niektóre z odległych galaktyk gwiazdotwórczych mają jasność 40 bilionów słońc, a soczewkowanie grawitacyjne pojaśniło je 22 razy.

„Do tej pory odnaleziono jedynie kilka galaktyk soczewkowanych grawitacyjnie na tych falach submilimetrowych, ale teraz SPT oraz ALMA odkryły dziesiątki takich obiektów.” powiedział Carlos De Breuck (ESO), członek zespołu. „Ten rodzaj nauki był wcześniej wykonywany w zakresie widzialnym za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, ale nasze wyniki pokazują, że ALMA stała się nowym, bardzo mocnym graczem na tym polu.”

„To wspaniały przykład jak astronomowie z całego świata współpracują, aby dokonać niesamowitego odkrycia za pomocą najnowocześniejszego instrumentu” powiedział członek zespołu Daniel Marrone (University of Arizona, USA). „To dopiero początek dla ALMA i dla badań galaktyk gwiazdotwórczych. Naszym następnym krokiem będzie bardziej szczegółowe zbadanie tych obiektów i dowiedzenie się dokładnie jak i dlaczego tworzą gwiazdy w tak szybkim tempie.”

Uwagi

[1] Dodatkowe obserwacje zostały wykonane przez APEX, VLT, Australia Telescope Compact Array (ATCA) oraz Submillimeter Array (SMA).

Więcej informacji

Wyniki badań zostały opisane w artykule “Dusty starburst galaxies in the early Universe as revealed by gravitational lensing”, J. Vieira et al., w czasopiśmie Nature. Praca na temat pomiarów odległości do galaktyk nosi tytuł “ALMA redshifts of millimeter-selected galaxies from the SPT survey: The redshift distribution of dusty star-forming galaxies”, A. Weiss et al. i ukazała się w Astrophysical Journal. Badania nad soczewkowaniem grawitacyjnym opisano w artykule “ALMA observations of strongly lensed dusty star-forming galaxies”, Y. Hezaveh et al., także w Astrophysical Journal.

Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart

Liczba odsłon: 1059