Astronomen haben eine Galaxie als riesiges Vergrößerungsglas benutzt, um in galaktische Kindergärten im Herzen des jungen Universums zu blicken.
Das „kosmische Teleskop“ ermöglichte ihnen erstmals einen tiefen Einblick in die riesigen Gaswolken, die sich kurz nach dem Urknall langsam verdichteten, um die Entstehung von Sternen und Galaxien voranzutreiben.
Diese Wolken aus neutralem diffusem Gas, die als Damped Lyman-α-Systeme (DLAs) bekannt sind, können heute noch beobachtet werden, aber es ist nicht einfach.
Ein internationales Forscherteam musste ein einzigartiges neues Instrument, gekoppelt mit einem leistungsstarken Teleskop und ein wenig Hilfe aus der Natur verwenden, um sie zu beobachten.
“DLAs sind entscheidend für das Verständnis der Entstehung von Galaxien, waren aber traditionell extrem schwer zu beobachten”, sagte Studienautor Professor Jeff Cooke von der Swinburne University of Technology in Australien.
„Indem wir die leistungsstarken Fähigkeiten des WM-Keck-Observatoriums, einige zufällige Ausrichtungen von Galaxien und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie nutzen, sind wir in der Lage, diese äußerst wichtigen Objekte auf völlig neue Weise zu beobachten und zu untersuchen, was uns einen Einblick in die Umgebung von Sternen und Planeten gibt wir wurden gebildet.’
Astronomen konnten dank eines leistungsstarken Teleskops und ein wenig Hilfe aus der Natur in galaktische Kinderstuben im Herzen des jungen Universums blicken. Die Darstellung dieses Künstlers zeigt, wie Experten ein projiziertes Bild vergrößern und das Gas von zwei riesigen gedämpften Lyman-α-Systemen kartieren konnten, die zwei Drittel der Größe der Milchstraße ausmachen
Zuvor haben Astrophysiker Quasare – supermassive schwarze Löcher, die Licht aussenden – als „Hintergrundbeleuchtung“ verwendet, um die DLA-Wolken zu erkennen.
Obwohl diese Methode es Wissenschaftlern ermöglicht, DLA-Standorte zu lokalisieren, wirkt das Licht der Quasare nur wie kleine Spieße durch eine massive Wolke, was die Bemühungen behindert, ihre Gesamtgröße und -masse zu messen.
Die neue Studie fand einen Weg, um das Problem zu umgehen, indem sie eine Galaxie mit Gravitationslinse und Integralfeldspektroskopie verwendete, um zwei DLAs – und die darin befindlichen Wirtsgalaxien – zu beobachten, die sich vor etwa 11 Milliarden Jahren bildeten, nicht lange nach dem Urknall.
Die Integralfeldspektroskopie ermöglicht beispielsweise die gleichzeitige Messung von Spektren vieler Positionen in einer Galaxie.
“Galaxien mit Gravitationslinsen beziehen sich auf Galaxien, die gestreckt und aufgehellt erscheinen”, sagte sein Kollege Rongmon Bordoloi, Assistenzprofessor für Physik an der North Carolina State University.
„Das liegt daran, dass sich vor der Galaxie eine gravitativ massive Struktur befindet, die das von ihr kommende Licht beugt, wenn es auf uns zukommt.
„Am Ende betrachten wir also eine erweiterte Version des Objekts – es ist, als würde man ein kosmisches Teleskop verwenden, das die Vergrößerung erhöht und uns eine bessere Visualisierung ermöglicht.“
Die Biegung und Vergrößerung des Galaxienlichts ist auf die allgemeine Relativitätstheorie zurückzuführen.
Bordoloi fügte hinzu: „Dies hat zwei Vorteile: Erstens ist das Hintergrundobjekt über den Himmel ausgedehnt und hell, sodass es einfach ist, Spektralmessungen an verschiedenen Teilen des Objekts vorzunehmen.
„Zweitens, weil Linsen das Objekt erweitern, können Sie sehr kleine Skalen untersuchen.
“Wenn das Objekt beispielsweise einen Durchmesser von einem Lichtjahr hat, können wir kleine Teile mit sehr hoher Wiedergabetreue untersuchen.”
Experten sagen, dass DLAs nicht nur enorm wichtig, sondern auch massiv sind.
Mit Durchmessern von mehr als 17,4 Kiloparsec sind sie mehr als zwei Drittel so groß wie die heutige Milchstraße.
Es würde mehr als 50.000 Jahre dauern, um jeden von ihnen zu durchqueren.
Nach dem Urknall dienten DLAs als galaktische Kinderstuben und förderten die Bildung von Galaxien, die aus Sternen und Gas bestehen.
Aber sie zu beobachten war schwierig, da sie überwiegend aus Wasserstoff bestehen, der weder leuchtet noch leuchtet.
Die Forscher nutzten das WM-Keck-Observatorium auf Hawaii (im Bild), um die DLA-Wolken zu erkennen
Spektralmessungen ermöglichen es Astrophysikern, Elemente im Weltraum anhand ihrer atomaren Signaturen zu „sehen“, die in Bildern nicht sichtbar sind.
Dies hilft, das Ausmaß des Gases, seine Bewegung und die elementare Zusammensetzung der DLAs zu verstehen.
Normalerweise ist das Sammeln der Messwerte ein langer und mühsamer Prozess. Aber das Team löste das Problem, indem es eine integrale Feldspektroskopie mit dem Keck Cosmic Web Imager durchführte, der Spektren über viele Teile der DLAs gleichzeitig sammeln kann.
Diese Innovation, kombiniert mit der gestreckten und aufgehellten Hintergrundgalaxie mit Gravitationslinsen, ermöglichte es den Forschern, das diffuse Gas in den beiden DLAs zu kartieren.
“Durch den Einsatz der neuesten Technologie bei Keck und ein wenig Glück bei der Ausrichtung von Galaxien mit Gravitationslinsen haben wir einen besseren Einblick in die Funktionsweise unseres Universums als je zuvor”, sagte Professor Cooke.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.