Forskning

Ny upptäckt berättar om universums historia

2016-06-17

Konstnärlig tolkning. Den avlägsna galaxen innehåller många unga, ljusstarka stjärnor som joniserar gasen inuti och runtomkring galaxen. Grön färg representerar det joniserade syret som Alma upptäckt.

Med hjälp av jätteteleskopet Alma i Chile har astronomer i Japan, Storbritannien, Sverige och Tyskland hittat syre längre bort i rymden än någonsin tidigare i en extremt avlägsen galax. Fyndet öppnar för nya metoder för att studera galaxer i universums barndom och ger en viktig pusselbit till den gåtfulla epok i universums historia då gasen mellan galaxerna övergick från att vara neutral till att vara joniserad.

Genom att studera objekt på extrema avstånd kan astronomer lära sig mer om universums tidiga utveckling och hur de allra första galaxerna bildades. Eftersom det tar många miljarder år för ljuset från de mest avlägsna galaxerna att nå jorden ser man dem som de såg ut för mycket länge sedan, närmare tiden för Big bang. Det är i ljusspektrumet från galaxen SXDF-NB1006-2 som teleskopet Alma, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, i Chile nu uppdagat en emissionslinje från grundämnet syre – på större avstånd, och alltså från en tidpunkt närmare Big bang, än någonsin tidigare. Galaxen ligger på ett sådant avstånd att ljuset man fångat upp tagit ca 13,1 miljarder år på sig för att nå fram. Detta innebär att man ser galaxen som den såg ut ca 700 miljoner år efter Big bang.

Direkt efter Big bang fanns bara de lätta grundämnena väte, helium och en liten mängd litium – alla de andra, tyngre grundämnena bildades först senare inuti stjärnor, och spreds genom rymden genom supernovaexplosioner och stjärnvindar. För varje stjärngeneration som föds ökar andelen tunga grundämnen som kol och syre i universum. Genom att studera tunga grundämnen i de mest avlägsna galaxerna kan man lära sig mer om hur de tidiga stadierna av denna anrikning gick till, och även få information om egenskaperna hos både gas och stjärnor i dessa galaxer.

- Den här upptäckten är viktig av två skäl. Det första har att göra med avståndsbestämning och det andra med galaxernas roll i universums återjonisering, säger Erik Zackrisson, docent i astronomi vid Uppsala universitet och en av medförfattarna till artikeln.

Om man kan identifiera emissionslinjer i ljusspektrumet från galaxer kan man även uppskatta avstånden till galaxerna. Problemet med de allra mest avlägsna objekten är att de också är så ljussvaga att även de största teleskopen vanligtvis misslyckas med att upptäcka några linjer överhuvudtaget.

- Nyckeln är att veta vilka grundämnen och vilka linjer man bör leta efter. När Almateleskopet blev färdigt för några år sedan trodde många att det skulle hjälpa oss att upptäcka galaxer på rekordavstånd, men så har det ännu inte blivit. Konkurrensen om att få använda Alma är stenhård och de flesta har satsat sin dyrbara observationstid på vad man trodde vara det säkraste kortet - en linje från grundämnet kol som brukar vara den starkaste i mer närbelägna galaxer. Datorsimuleringar av de första galaxerna har däremot förutspått att en linje från grundämnet syre borde vara ännu starkare och nu har vi visat att det verkligen stämmer. Jag tror att det kommer att öppna för massor av spännande upptäcker av galaxer på rekordavstånd med Alma under de närmsta åren, säger Erik Zackrisson.

Mätningarna med Almateleskopet av galaxen SXDF-NB1006-2 kan även bidra med en viktig pusselbit i gåtan kring hur återjoniseringen av universum gick till. Direkt efter Big bang var universum mycket hett. När det utvidgades kyldes det successivt av, tills protoner och elektroner efter ca 380 000 år för första gången kunde sammanfogas till neutral vätgas. Lite senare, någon gång under den första årmiljarden efter Big bang, fylldes rymden av energirika fotoner, ljuspartiklar, som bröt upp vätets bindningar och orsakade en återjonisering av universum. 

Exakt hur detta gick till, och var de joniserande fotonerna kom ifrån, är fortfarande okänt. Många tror att det var unga, heta stjärnor i de första galaxerna som skapade fotonerna som återjoniserade universum, men det kräver att den energirika strålningen kan ta sig ut ur själva galaxerna och nå de stora mängderna gas som finns mellan galaxerna i det s.k. intergalaktiska mediet. Neutral vätgas och stjärnstoft inuti galaxerna kan hindra strålningen från att tränga ut, och undersökningar av galaxer i det mer närbelägna delarna av rymden har länge visat att läckage av joniserande strålning verkar vara extremt sällsynt. Men kanske är egenskaperna hos de första galaxerna annorlunda?

Observationerna av galaxen SXDF-NB1006-2 tyder på en brist på både stjärnstoft och neutral gas, vilket innebär att stora mängder joniserande fotoner från heta stjärnor borde kunna läcka ut.

- Om många galaxer i det tidiga universumet har egenskaper som liknar de hos SXDF-NB1006-2 så kan vi vara nära lösningen på gåtan om universums återjonisering, säger Erik Zackrisson.

Artikel i tidskriften Science:
Inoue, A. K., et al., Detection of an oxygen emission line from a high redshift galaxy in the reionization epoch

Om Almaobservatoriet