Forskere tror at de tidligste stjernene og galaksene i universets historie ble skapt av gass som klumpet seg mer og mer sammen. Nå har forskere observert tidlige galakser med gass rundt seg.(Kunstnerisk tolkning: NASA / ESA / CSA / Joseph Olmsted)
Danske forskere ser 13 milliarder år tilbake i tid og gjør en «fantastisk» oppdagelse
Danske forskere har observert dannelsen av noen av de tidligste galaksene i universets historie.
LiseBrixJOURNALIST, VIDENSKAB.DK
Tenk deg å kunne se tilbake i tid, ikke
bare millioner, men milliarder av år. Lenge før tippoldefaren din, dinosaurene,
jorden, månen og solen vår ble skapt.
Hvordan så universet ut den gang?
I en ny studie har et dansk forskerteam
brukt det svært avanserte James Webb-romteleskopet til å se mer enn 13
milliarder år tilbake i tid. De har klart å observere dannelsen av noen av de
tidligste galaksene i universets historie.
– Dette er første gang du kan se den
faktiske dannelsen av de aller tidligste babygalaksene, sier Kasper Elm Heinz,
assisterende professor ved Cosmic Dawn Centre ved Københavns Universitet. – Det
er ganske fantastisk.
Heinz er hovedforsker bak den nye
studien, som nettopp er publisert i tidsskriftet
Science.
Ser de virkelig tilbake i tid?
Det høres kanskje sprøtt ut at forskere er
i stand til å se milliarder av år tilbake i tid. Men for astronomer er det
faktisk helt naturlig å studere hendelser som skjedde i en fjern fortid.
Når stjerner og galakser befinner seg
svært langt unna oss på jorden, kan det ta millioner – eller milliarder – av år
før lyset når oss.
– Jo lenger unna en stjerne er fra oss, jo
lenger må stjernens lys reise gjennom verdensrommet før vi kan se det. På denne
måten ser vi tilbake i tid når vi studerer fjerne stjerner og galakser,
forklarer Peter Laursen, astrofysiker og en av forskerne bak den nye studien.
Med James Webb-teleskopet, som ble skutt
opp i rommet i 2021, kan forskerne nå se enda lenger unna – og dermed enda
lenger tilbake i tid – enn det som tidligere har vært mulig.
Hvorfor er dette interessant?
Det spesielle med den nye studien er at
forskerne ikke bare kan se lyset fra noen av de tidligste galaksene i
universets historie, men at de også kan se at galaksene er i ferd med å dannes
– og få informasjon om hvordan galaksene dannes.
– Du kan sammenligne det med å se på
sommerfugler. Så langt har vi studert mange sommerfugler i ulike farger og
størrelser for å prøve å forstå hvor de kommer fra. Selve puppen, der
sommerfuglene ble til, har vi til nå bare kunnet forutsi teoretisk, sier Kasper
Elm Heintz.
– Men nå kan vi for første gang se inn i
puppen og se direkte hvordan sommerfuglene blir til. Vi ser på den faktiske
dannelsen av galakser mens den skjer.
– Hvorfor er dette interessant?
– Det er et av de store spørsmålene i
livet: Hvor kommer vi fra? Hvordan havnet vi her? Dannelsen av stjerner og
galakser er en sentral del av universets historie, sier Heintz.
– Vi har mange teorier og datasimuleringer
som forteller oss hvordan det skjedde, men nå kan vi plutselig begynne å måle
og observere om teoriene stemmer.
Slik gjorde forskerne det
I den nye studien benyttet forskerne James
Webb-teleskopets svært følsomme infrarøde spektroskopiske egenskaper.
Forskerne observerte 12 galakser fra
perioden rundt 400–600 millioner år etter Big Bang.
De oppdaget at tre av galaksene har en
stor mengde nøytral hydrogengass rundt seg – og de kan måle hvor mye gass det
er.
Målingene slår rekorden som den fjerneste
– og dermed tidligste – målingen av kald nøytral hydrogengass som hittil er
funnet.
I virkeligheten kan ikke forskerne se
selve hydrogengassen – gassen lyser ikke som stjernene.
Men forskerne kan måle at hydrogengassen
eksisterer fordi den absorberer bestemte deler av stjernenes lys.
– Hydrogengassen absorberer alt lys som
har en bølgelengde under en viss grense. Vi kan altså ikke se selve
hydrogengassen, men vi kan regne ut at den eksisterer fordi den fjerner noe av
lyset fra stjernene, forklarer Kasper Elm Heintz.
I tillegg til de tolv galaksene i studien
har forskerne allerede brukt samme metode til å måle hydrogengass rundt en rekke
andre tidlige galakser – men disse funnene er ennå ikke publisert.
Kilde: Kasper Elm Heintz / Peter Laursen
Bekrefter teorier
Annonse
For Peter Laursen, en av teoretikerne på
studiens forfatterliste, er det mest spennende med studien at «den bekrefter
teoriene våre om hvordan stjerner og galakser blir dannet».
Den rådende teorien er at universet
begynte for omtrent 13,8 milliarder år siden. Med det såkalte Big Bang begynte
universet å utvide seg.
Den nye studien kommer inn i bildet om lag
400–600 millioner år etter Big Bang. Da var universet fortsatt ganske ungt.
På den tiden hadde de første stjernene og
galaksene blitt til. Teorien er at dette skjedde da gassen begynte å samle seg
til større og større klumper, som til slutt ble til stjerner, forklarer Peter
Laursen.
– I begynnelsen, før de første stjernene
ble skapt, var gassen jevnt fordelt i hele universet. Men noen steder var det
litt større klumper av gass, og klumpene begynte å tiltrekke seg mer og mer
gass ved hjelp av tyngdekraften, forklarer Laursen, som arbeider ved Cosmic
Dawn Centre ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.
– Resultatet var at klumpene ble større og
større, og til slutt ble de store nok til å begynne å danne stjerner og senere
galakser.
James Webb-teleskopet flyr rundt i verdensrommet og gjør observasjoner av universet. Det avanserte teleskopet ble skutt opp i 2021 og har allerede ført til en rekke oppdagelser.(Illustrasjon: Nasa)
Finner «the missing link»
I den nye studien observerer forskerne tre
svært unge galakser som er i ferd med å dannes i perioden 400–600 millioner år
etter Big Bang.
De tre galaksene slår ikke rekorden som de
tidligst observerte galaksene – rekorden er 300–500 millioner år etter Big
Bang.
Det spesielle er at forskerne har klart å
måle at det finnes store mengder gass – hydrogengass – rundt de unge galaksene.
De ser den kalde hydrogengassen som ifølge teorien blir byggesteinene
til stjerner og galakser.
– Dette er de første direkte målingene av
denne tidlige gassen, og målingene våre tyder på at gassen kan akkumuleres
raskere og danne de aller første stjernene mer effektivt enn vi trodde, sier
Kasper Elm Heintz.
– Tidligere visste vi at det etter Big
Bang ble etterlatt mye kald hydrogengass og noe helium. Og senere kan vi se at
det ble dannet mange stjerner og galakser. Men hvordan går vi fra å ha kald
hydrogengass til å ha stjerner og galakser? Dette har vært en «missing link»
som vi nå har funnet.
Annonse
Den britiske astrofysikeren Sandro
Tacchella, som ikke var en del av den nye studien, understreker at de nye
resultatene hjelper oss med å forstå hvordan galaksene i det tidlige universet
ble dannet.
– Resultatene er et viktig skritt i retning
av å forstå hvordan galakser vokser. De støtter bildet av at galaksene i det
tidlige universet vokste svært raskt ved å danne nye stjerner fra nylig
opphopet gass, skriver Sandro Tacchella, førsteamanuensis i astrofysikk ved
Kavli Institute for Cosmology ved University of Cambridge, i en e-post til
Videnskab.dk.
Hvem står bak?
En rekke forskere fra Niels Bohr
Institutet ved Københavns Universitet har deltatt i den nye studien, deriblant
Kasper E. Heintz, Darach Watson, Gabriel Brammer, Simone Vejlgaard, Anne
Hutter, Victoria B. Strait, Peter Laursen, Charlotte A. Mason, Meghana Killi og
Sune Toft.
I tillegg har forskerne samarbeidet med
forskere fra Østerrike, Island, Storbritannia og USA.
Den danske delen av forskningen er
finansiert av Danmarks Grundforskningsfond og Carlsbergfondet.
Vill epoke i universets historie
Epoken som forskerne observerer i den nye
studien, er også interessant fordi universet på dette tidspunktet gjennomgikk
en annen voldsom forandring – en prosess forskerne kaller «re-ionisering» av
universet.
Hydrogengassen som var spredt utover
universet – og som dannet stjerner og galakser – tidligere hatt en nøytral
elektrisk ladning.
Men over tid endrer dette seg:
hydrogenatomene blir ionisert, det vil si at de splittes fra hverandre, og
gassen får en elektrisk ladning, forklarer Peter Laursen.
– Før reioniseringen kunne ikke lyset fra
galaksene trenge ut i universet. Man kan si at det rett og slett var for
tåkete. Men etter reioniseringen blir universet gjennomsiktig, og vi kan
lettere se galaksene, sier han.
– Derfor er reioniseringen en viktig
epoke, og det er et enormt forskningsfelt å prøve å forstå når, hvor og hvorfor
reioniseringen begynner å skje.
Reionisering
Ute i det enorme, øde rommet mellom
galaksene – det intergalaktiske rommet – finnes det gass. I dag er denne gassen
ionisert. Det betyr at atomene i gassen er delt opp i mindre deler (protoner og
elektroner er skilt fra hverandre), noe som gir gassen en elektrisk ladning.
Slik har det imidlertid ikke alltid vært.
I universets tidlige ungdom hadde gassen en nøytral elektrisk ladning – den var
ikke ionisert ennå.
I løpet av en periode på omtrent en halv
milliard år ble imidlertid all gassen ionisert – forskerne kaller denne epoken
for «reioniseringen av universet».
Denne epoken er viktig fordi universet
gikk fra å være en svært ugjennomsiktig «tåke» av nøytral hydrogengass til
plutselig å bli så gjennomsiktig at vi nå kan se til og med fjerne stjerner og
galakser.
Universet ble med andre ord gjennomsiktig
da det ble ionisert.
Men hvorfor og hvordan ble universet
ionisert? Dette er det knyttet usikkerhet til.
En vanlig teori er at stråling
(UV-stråling) fra de tidligste stjernene i universet var i stand til å ionisere
den ellers nøytrale hydrogengassen.
Kilde: Peter Laursen
Hva forårsaker reionisering?
Ifølge Peter Laursen har mange
reioniseringsforskere de siste årene blitt enige om at det er stjernene som er
ansvarlige for den store endringen i hydrogengassen i universet.
– Stjernene sender ut stråling som treffer
hydrogengassen og ioniserer den. Dette begynner å skje noen hundre millioner år
etter Big Bang, og etter en milliard år er forandringen fullstendig, men vi vet
veldig lite om hva som skjer, sier Laursen.
Den epokegjørende endringen i universet
skjer fortsatt i dag. I rommet mellom galaksene – det intergalaktiske rommet –
er hydrogengassene fortsatt ionisert.
Annonse
– Man tror at det var de første stjernene
og galaksene som satte i gang endringen, skriver den amerikanske professoren
Claudia Scarlata, som ikke har vært involvert i den nye studien, men som har
kommentert den i Science.
Hun påpeker imidlertid at den nye studien
utfordrer teoriene om hvilken rolle de tidlige galaksene spilte i
reioniseringen.
Utfordringen er at de tre galaksene som er
studert i den nye studien, har en enorm mengde nøytral gass rundt seg – gass
som de bruker til å danne nye stjerner og vokse seg større. Men gassen rundt
galaksene er så tykk og tett at strålingen fra stjernene ikke kan passere
gjennom den.
Det betyr at strålingen ikke kan nå den
andre siden og ionisere den omkringliggende intergalaktiske gassen, slik
teorien om reionisering tilsier, forklarer Scarlata, som arbeider ved
University of Minnesota.
– Spørsmålet blir da hvilken rolle
galaksene spiller når det gjelder reionisering. Om det er et problem eller
ikke, må vi vente med å finne ut av, avslutter hun.
Referanse:
Kasper Heinz mfl.: Strong damped Lyman-α absorption in young star-forming galaxies at redshifts 9 to 11. Science, 2024. (Sammendrag) DOI: 10.1126/science.adj034
