Zespół naukowców kierowany przez Uniwersytet Technologiczny Chalmers w Szwecji badał dwie galaktyki we wczesnym Wszechświecie, które zawierają niezwykle produktywne fabryki gwiazd. Używając potężnych teleskopów do podziału światła galaktyk na poszczególne kolory, naukowcy ze zdumieniem odkryli światło pochodzące z wielu różnych cząsteczek – bardziej niż kiedykolwiek wcześniej na takich odległościach. Naukowcy uważają, że tego typu badania mogą zrewolucjonizować nasze rozumienie życia najbardziej aktywnych galaktyk w czasach młodości Wszechświata.
Kiedy Wszechświat był młody, galaktyki bardzo różniły się od dzisiejszych okazałych spiral, pełnych delikatnie świecących słońc i kolorowych obłoków gazu. Rodziły się nowe gwiazdy, w tempie setki razy szybszym niż w dzisiejszym wszechświecie. Większość z nich była jednak ukryta za grubymi warstwami pyłu, co sprawiało, że odkrycie tajemnic gwiezdnych fabryk było dla naukowców wyzwaniem – aż do teraz. Badając najdalsze galaktyki widoczne za pomocą potężnych teleskopów, astronomowie mogą uzyskać przebłyski tego, w jaki sposób fabrykom udało się stworzyć tak wiele gwiazd.
W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics zespół naukowców pod przewodnictwem astronoma Chalmersa Chentao Yanga wykorzystał teleskopy NOEMA (NOrthern Extended Millimeter Array) we Francji, aby dowiedzieć się więcej o tym, w jaki sposób te wczesne fabryki gwiazd zdołały stworzyć tyle gwiazd. Yang i jego współpracownicy zmierzyli światło dwóch jasnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie – jednej z nich sklasyfikowanej jako kwazar i obie charakteryzujące się dużym tempem powstawania gwiazd.
„Wiedzieliśmy, że te galaktyki to olbrzymie fabryki gwiazd, być może jedne z największych, jakie wszechświat kiedykolwiek widział. Aby dowiedzieć się, jak działają, zmierzyliśmy ich światło przy długości fali około jednego milimetra, mając nadzieję zebrać nowe wskazówki” – mówi Chentao Yang .
Dramatyczna chemia w odległych galaktykach ekscytuje astronomów
Pomiary zakończyły się sukcesem przekraczającym oczekiwania naukowców. W świetle zarejestrowanym z obu galaktyk zidentyfikowali ślady wielu różnych rodzajów cząsteczek. Z głębi tych galaktyk światło emitowane jest w wielu różnych długościach fal z obłoków gazu i pyłu, w których rodzą się nowe gwiazdy.
„To niesamowita eksplozja kolorów w odcieniach, których ludzkie oko nie jest w stanie dostrzec. Jednak łącząc nasze obserwacje z naszą wiedzą z zakresu fizyki i chemii, możemy zrozumieć, co oznaczają kolory i zobaczyć, jakie są różnice między różnymi galaktykami, „ wyjaśnia Sergio Martín, astronom w ESO i Wspólnym Obserwatorium ALMA w Chile oraz członek zespołu badawczego.
Analizując widmo każdej galaktyki – indywidualne kolory jej światła – naukowcom udało się zidentyfikować 13 cząsteczek, z których kilku nigdy wcześniej nie widziano w tak odległych galaktykach. Każda cząsteczka dostarcza innych wskazówek na temat temperatury, ciśnienia i gęstości w przestrzeni między gwiazdami oraz interakcji światła gwiazd, promieniowania i materii, dostarczając nowych, kluczowych informacji na temat warunków fizycznych i chemicznych w tych galaktykach.
„Interpretacja sygnałów stanowi wyzwanie. Widzimy część widma elektromagnetycznego, którą trudno zaobserwować w pobliskich galaktykach. Jednak dzięki ekspansji Wszechświata światło z odległych galaktyk, takich jak ta, jest przesunięte w stronę dłuższych fal, które możemy zobaczyć za pomocą radioteleskopów prowadzących obserwacje w zakresie submilimetrowym” – mówi Chentao Yang.
Bardziej jak miasto oświetlone neonami niż noc pod gwiazdami
Dwie galaktyki badane przez zespół są tak daleko od siebie, że ich światło potrzebuje prawie 13 miliardów lat, aby dotrzeć do nas.
„Patrzenie na te galaktyki nie przypomina nocy pod gwiazdami, a raczej miasta oświetlonego neonami” – mówi Susanne Aalto, astronom i członkini zespołu Chalmers.
Astronomowie są przyzwyczajeni do robienia zdjęć fabryk gwiazd w naszej galaktyce, takich jak Mgławica Oriona i Mgławica Kil, wyjaśnia.
„Zamiast tego w tych dwóch odległych galaktykach widzimy fabryki gwiazd, które są większe, jaśniejsze, pełne pyłu i różnią się pod wieloma względami. Mgławice Oriona i Kila świecą dzięki światłu ultrafioletowemu gorących, nowonarodzonych gwiazd. W tych dwóch odległych galaktyk światło ultrafioletowe nie może przedostać się przez warstwy pyłu. Większość oświetlenia pochodzi z promieni kosmicznych – cząstek o wysokiej energii, które mogą powstać w wyniku eksplozji gwiazd lub w pobliżu supermasywnej czarnej dziury” – mówi Susanne Aalto .
Galaktyki we wczesnym wszechświecie mogą teraz opowiadać swoje historie
Chociaż galaktyki takie jak te dwie są rzadkie, naukowcy planują zbadać ich więcej, korzystając zarówno z NOEMA, jak i jego jeszcze większego siostrzanego teleskopu ALMA (Atacama Large Millimetre/Submillimetre Array) w Chile. Obydwa teleskopy są wrażliwe na światło o długości fali około jednego milimetra.
„Nasze wyniki pokazują, jak NOEMA, dzięki swoim szerokopasmowym odbiornikom i potężnemu komputerowi korelacyjnemu, otworzyła nowe możliwości badania ekstremalnych galaktyk, takich jak ta, na północnym niebie. Z półkuli południowej planowane przez ALMA ulepszenia czułości szerokopasmowej zapewnią jeszcze bardziej ekscytujące perspektywy. najbardziej niezwykłe galaktyki we wczesnym Wszechświecie są wreszcie w stanie opowiadać swoje historie za pomocą cząsteczek” – mówi Pierre Cox, astronom z CNRS i Sorbonne Université we Francji.
Więcej o wynikach badań:
W przestrzeni międzygwiazdowej wykryto ponad sto różnych cząsteczek. W tym badaniu astronomowie zidentyfikowali cząsteczki tlenku węgla (CO), rodnika cyjanowego (CN), rodnika etynylowego (CCH), cyjanowodoru (HCN), kationu formylowego (HCO+), izocyjanowodoru (HNC), monosiarczku węgla (CS), woda (H2O), jon hydroniowy (H3O+), tlenek azotu (NO), diazenyl (N2H+), rodnik metylodynowy (CH) i cyklopropenyliden (c-C3H2). Kilka z nich (CH, CCH, c-C3H2, N2H+ i H3O+) nigdy wcześniej nie było widzianych z tak dużych odległości.
Dwie galaktyki objęte badaniem mają numery katalogowe APM 08279+5255 i NCv1.143. Poprzednie badania wykazały, że są one tak daleko, że ich światło podróżuje w naszą stronę od prawie 13 miliardów lat, co odpowiada przesunięciu ku czerwieni odpowiednio 3,911 i 3,565. Przesunięcie ku czerwieni oznacza, że ekspansja Wszechświata rozciąga światło z odległych galaktyk na dłuższe fale, co można zaobserwować za pomocą radioteleskopów.
Pomimo dużej odległości galaktyki świecą jasno na falach radiowych. Ich sygnały są wzmacniane dzięki gromadom innych galaktyk znajdujących się na drodze światła – efekt znany jako soczewkowanie grawitacyjne. Jedna z galaktyk, APM 08279+5255, jest także kwazarem – galaktyką, której centrum świeci jasno na całej długości, od fal radiowych po promieniowanie rentgenowskie, dzięki materii wirującej wokół supermasywnej czarnej dziury. NCv1.143 może również zawierać centralną czarną dziurę.