Fyrstu vetrarbrautirnar mynduðust mun fyrr en áður var talið

Sævar Helgi Bragason 12. apr. 2011 Fréttir

Með hjálp þyngdarlinsu hafa stjörnufræðingar fundið fjarlæga vetrarbraut sem inniheldur stjörnur sem urðu til óvenju snemma í sögu alheimsins.

  • þyngdarlinsa, Abell 383, vetrarbrautaþyrping

Með hjálp þyngdarlinsu hafa stjörnufræðingar fundið fjarlæga vetrarbraut sem inniheldur stjörnur sem urðu til óvenju snemma í sögu alheimsins. Niðurstöðurnar varpa nýju ljósi á myndun fyrstu vetrarbrautanna og þróun hins unga alheims.

„Við fundum fjarlæga vetrarbraut sem tók að mynda stjörnur aðeins 200 milljónum ára eftir Miklahvell“ segir Johan Richard, aðalhöfundur greinar um þessa nýju rannsókn [1]. „Þessi uppgötvun hefur áhrif á kenningar sem lýsa myndun og þróun vetrarbrauta snemma í sögu alheimsins. Uppgötvunin gæti hjálpað okkur að leysa þá ráðgátu hvernig vetnisþokan sem fyllti hinn unga alheim leystist upp.“

Stjörnufræðingarnir, undir forystu Richard, fundu vetrarbrautina á myndum sem teknar voru með Hubblessjónauka NASA og ESA og staðfestu tilvist hennar með Spitzer geimsjónauka NASA. Síðan mældu þeir fjarlægðina til hennar með Keck sjónaukunum á Hawaii.

Vetrarbrautin fjarlæga birtist okkur í gegnum vetrarbrautaþyrpingu sem kallast Abell 383. Þyrpingin er svo þung að þyngdarkraftur hennar beygir ljósgeisla vetrarbrautarinnar, magnar það eins og stækkunargler og gerir stjörnufræðingum kleift að gera nákvæmar mælingar á henni [2]. Án þessara þyngdarlinsuhrifa hefði vetrarbrautin aldrei sést — hún er of dauf, jafnvel fyrir stærstu sjónauka jarðar.

Eftir að stjörnufræðingar fundu og staðfestu vetrarbrautina á myndum Hubble og Spitzer gerðu þeir litrófsmælingar á henni með Keck-II sjónaukanum á Hawaii. Við litrófsgreiningu er ljós brotið upp í liti sína og með því að grannskoða litrófið tókst stjörnufræðingunum að mæla rauðvik vetrarbrautarinnar [3] og um leið aflað upplýsingar um stjörnurnar í henni.

Rauðvikið reyndist 6,027 sem þýðir að vetrarbrautin birtist okkur eins og hún leit út þegar alheimurinn var um 950 milljón ára gamall [4]. Þetta er ekki fjarlægasta vetrarbraut sem sést hefur — nokkrar hafa mælst með rauðvik yfir 8 (eso1041) og ein með rauðvik í kringum 10 (heic1103) sem við sjáum um 400 milljón árum fyrr. Þessi nýfundna vetrarbraut er aftur á móti harla ólík öðrum fjarlægum vetrarbrautum sem sést hafa hingað til og innihalda alla jafna ungar og skærar stjörnur.

„Þegar við skoðuðum litrófið lá tvennt ljóst fyrir“ segir Eiichi Egami, einn af meðhöfundum greinarinnar. „Rauðvikið bendir til þess að alheimurinn hafi verið mjög ungur þegar ljósið frá vetrarbrautinni lagði af stað til okkar. Innrauðar mælingar Spitzer benda síðan til að í henni séu óvenju þroskaðar og tiltölulega daufar stjörnur. Þetta segir okkur að á þessum tíma hafi vetrarbrautin innihaldið nærri 750 milljón ára gamlar stjörnur sem þýðir að þær mynduðust, og þar með vetrarbrautin, um 200 milljón árum eftir Miklahvell, miklu nær upphafinu en við bjuggumst við.“

„Við eigum mjög góðar upplýsingar um vetrarbrautina þökk sé ljósmögnun þyngdarlinsunnar“ segir Dan Stark, annar af meðföhundum greinarinnar. „Mælingar okkar staðfesta fyrri athuganir sem bentu til að í ungri vetrarbraut væru gamlar stjörnur. Þetta bendir til að fyrstu vetrarbrautirnar hafi myndast fyrr en áður var talið.“

Uppgötvunin vekur upp spurningar um myndunartíma fyrstu vetrarbrautanna og gæti auk þess hjálpað okkur að útskýra hvernig alheimurinn varð gegnsær í útfjólubláu ljósi fyrsta ármilljarðinn eftir Miklahvell. Í bernsku umlék þoka úr óhlöðnu vetnisgasi alheiminn og hindraði flæði útfjólublás ljóss um hann. Þokan leysist upp við ferli sem kallast endurjónun og alheimurinn varð gegnsær eins og við sjáum hann í dag. Því má vera ljóst að einhver uppspretta geislunar hafi jónað gasið.

Stjörnufræðingar álíta að geislunin sem hratt endurjónuninni af stað hafi komið frá vetrarbrautunum. Hingað til hafa þó ekki fundist nógu margar sem gefa frá sér nægilega mikla geislun en þessi nýja uppgötvun gæti hjálpað okkur að leysa þá ráðgátu.

„Líklega eru miklu fleiri vetrarbrautir þarna úti frá árdögum alheimsins en við höfum talið hingað til — margar ef til vill eldri og daufir en sú sem við fundum nú“ segir Jean-Paul Kneib, meðhöfundur rannsóknarinnar. „Einhvers staðar þarna úti eru sennilega margar óséðar daufar og aldnar vetrarbrautir sem gætu hafa gefið frá sér þá geislun sem þurfti til að gera alheiminn gegnsæjan í útfjólubláu ljósi.“

Í dag getum við einungis fundið þessar vetrarbrautir með hjálp massamikilla þyrpinga sem virka eins og náttúrulegir sjónaukar. Eftir nokkur ár verður James Webb geimsjónauka NASA, ESA og CSA skotið á loft en hann getur gert mælingar í mikilli upplausn á fjarlægum vetrarbrautum með hátt rauðvik. Leiða má líkum að því að þá verði þessi ráðgáta leyst í eitt skipti fyrir öll.

Skýringar

Hubble geimsjónaukinn er alþjóðlegt samstarfsverkefni NASA og ESA.

[1] Greint er frá þessari rannsókn í greininni „Discovery of a possibly old galaxy at z=6.027, multiply imaged by the massive cluster Abell 383“ sem birt verður í Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Í þeim alþjóðlega hópi stjarnfræðinga sem tók þátt í rannsókninni eru Johan Richard (CRAl, Observatoire de Lyon, Université Lyon 1, Frakklandi og Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen í Danmörku), Jean-Paul Kneib (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille í Frakklandi), Harald Ebeling (University of Hawaii í Bandaríkjunum), Daniel P Stark (University of Cambridge í Bretlandi), Eiichi Egami (University of Arizona í Bandaríkjunum) og Andrew K Fiedler (University of Arizona í Bandaríkjunum).

[2] Þyngdarkrafturinn sveigir tímarúmið. Það þýðir að massamikið fyrirbæri með mjög sterkt þyngdarsvið sveigir ljósgeisla sem ferðast í gegnum það eða umhverfis það. Þungar vetrarbrautaþyrpingar eins og Abell 383 verka því á svipaðan hátt og risastór linsa sem brýtur og magnar ljós frá fjarlægara fyrirbæri fyrir aftan hana — ferli sem kallast þyngdarlinsuhrif. Þótt mynd af vetrarbraut sem sést af völdum þyngdarlinsu sé venjulega bjöguð og á mörgum stöðum (þessi nýfundna vetrarbraut sést í raun á tveimur stöðum á mynd Hubbles) margfaldar hún greinigetu sjónauka og gerir okkur kleift að sjá vetrarbrautir sem ella sæjust ekki. Ljósmyndin af þyngdarlinsunni Abell 383, sem notuð var í þessari rannsókn, er hluti af CLASH kortlagningarverkefninu (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble) sem er Multi Cycle Treasury verkefni sem ætlað er að kanna safn 25 vetrarbrautaþyrpinga með Hubblessjónaukanum (undir forystu Marc Postman). Abell 383 er einnig ein 50 þyrpinga sem ljósmynduð hefur verið í Spitzer Warm leiðangrinum undir forystu Eiichi Egami.

[3] Vegna þess að alheimurinn þenst út teygist ljós frá fjarlægu fyrirbæri og verður rauðara þegar það berst loks til okkar. Þessi hrif kallast rauðvik. Því fjarlægara sem fyrirbærið er, því meira er rauðvik þess. Hægt er að nota rauðvikið til að meta fjarlægðir.

[4] Ljós ferðast með endanlegum hraða svo því fjarlægara sem fyrirbæri er, því lengra aftur í tímann sjáum við það. Ljós frá fyrirbæri með rauðvik 6 hefur verið 12,8 milljarða ára að berast til jarðar. Við vitum að alheimurinn er um 13,7 milljarða ára sem þýðir að við sjáum fyrirbærið eins og það leit út innan við milljarði ára eftir Miklahvell. Rauðvikið er þar af leiðandi mæling á tímanum sem liðið hefur frá Miklahvelli og á fjarlægð fyrirbærisins.

Myndir: NASA, ESA, J. Richard (CRAL) og J.-P. Kneib (LAM)

Tenglar

Rannsóknargreinin

Tengiliðir

Sævar Helgi Bragason
Háskóla Íslands,
Reykjavík
Sími: 896-1984
Tölvupóstur: saevar@stjornuskodun.is

Oli Usher
Hubble/ESA,
Garching,
Þýskalandi
Sími: +49-89-3200-6855
Tölvupóstur: ousher@eso.org

Þetta er þýðing á fréttatilkynningu ESA/Hubble heic1106

Tengdar myndir

  • þyngdarlinsa, Abell 383, vetrarbrautaþyrpingÁ miðri mynd er Abell 383, risaþyrping sporvöluþoka, sem inniheldur svo mikið hulduefni að þyngdarkraftur hennar sveigir ljós. Þyrpingin virkar sem stækkunargler sem magnar ljós frá fjarlægari vetrarbrautum í bakgrunni og beinir því til okkar. Í Abell 383 hafa stjörnufræðingar fundið vetrarbraut sem er svo langt í burtu að við sjáum hana eins og hún leit út þegar innan við milljarður ára var liðinn frá Miklahvelli. Í vetrarbrautinni eru óvenju gamlar stjörnur miðað við aldur alheimsins á þeim tíma.
  • Abell 383, þyngdarlinsa, vetrarbrautaþyrpingVetrarbrautin sem hér er til umfjöllunar birtist á tveimur stöðum sitt hvoru megin við þyrpinguna í miðjunni. Þyngdarlinsan virkar sem stækkunargler sem sveigir og magnar ljósið frá þessari daufu vetrarbraut sem er miklu fjarlægari en þyrpingin. Þyngdarlinsur gera stjörnufræðingum kleift að sjá dauf og fjarlæg fyrirbæri sem ella sæjust ekki með sjónaukum nútímans.
  • þyngdarlinsa, skýringarmyndSkýringarmynd sem sýnir hvernig þyngdarlinsur virka. Hafa ber í hug að hlutföllin eru röng. Í raun er fjarlæga vetrarbrautin miklu lengra í burtu og miklu smærri en hér sést. Abell 383 inniheldur svo mikið hulduefni að þyngdarsvið hennar magnar ljós frá fjarlægari vetrarbraut í bakgrunni og beinir því í átt til okkar.
  • Abell 383, þyngdarlinsa, vetrarbrautaþyrpingSvæðið á himinhvolfinu í kringum linsuþyrpingunni Abell 383. Mynd: ESA/Hubble & Digitized Sky Survey 2. Þakkir: Davide De Martin (ESA/Hubble)