Därför missar astronomer 90 procent av de mest avlägsna galaxerna

Astronomer har länge vetat att mycket av det ljus som skulle kunna ses från universums mest avlägsna galaxer aldrig når fram till deras teleskop. Nu tack vare extremt djupa observationer med två av de fyra 8,2-meters jätteteleskopen som utgör ESO:s observatorium VLT (Very Large Telescope), samt ett unikt specialgjort filter, har astronomer kunnat fastställa hur pass stort bortfallet är. Det överraskande resultatet är att bland galaxerna vars ljus tar 10 miljarder år att nå oss är det en stor andel som inte alls går att upptäcka. Kartläggningen har också avslöjat några av de ljussvagaste galaxerna som någonsin uppmätts från i denna svunna epok i universums historia.

När astronomer gör kartläggningar av hur mycket stjärnor som bildas i det mycket avlägsna universum använder astronomer ofta ljus från vätgas. I synnerhet används ljus med en viss våglängd, kallad Lyman-alfa, som är ett slags fingeravtryck för just grundämnet väte [1]. Dock har man länge misstänkt att många avlägsna galaxer slinker undan kartläggningar i just Lyman-alfa-ljus. Nu har en helt ny kartläggning med VLT för första gången visat att det är precis så det ligger till. Största delen av Lyman-alfa-ljuset kommer aldrig ut från galaxen som avger det. Det betyder att så mycket som 90 procent av galaxer helt enkelt saknas i tidigare Lyman-alfa-kartläggningar.

Matthew Hayes är huvudförfattare till en artikel som publiceras i veckans nummer av Nature.

- Astronomer har alltid vetat att en viss andel av galaxerna kom undan deras kartläggningar i Lyman-alfa, men nu har vi för första gången en mätning på det. Antalet saknade galaxer är stort, säger Matthew Hayes.

För att kunna klura ut hur mycket ljus som missats använde Hayes och hans forskarkolleger VLT:s kamera FORS tillsammans med ett specialgjort smalbandsfilter [2] för att mäta just ljuset från Lyman-alfa, på samma sätt som i vanliga Lyman-alfa-kartläggningar. Sedan observerade de samma delen av rymden med den nya kameran HAWK-I, som är monterad vid ett annat av VLT:s fyra jätteteleskop. Även denna gång letade de efter ljus från glödande vätgas, men med en annan våglängd: den så kallade H-alfa-linjen.

Målen i bägge fall var galaxer vars ljus har rest mot oss i hela 10 miljarder års tid (en rödförskjutning på 2,2 [3]) i ett mycket välstuderat område på himlen känt som det södra GOODS-fältet.

Team-medlemmen Göran Östlin är professor i astronomi vid Stockholms universitet.

- Det är första gången som vi har observerat ett ställe på himlen så pass djupt i just ljuset från väte vid just de här två våglängderna. Det har varit helt avgörande, säger han.

- H-alfa-ljus är ganska lätt att förstå och används flitigt när vi studerar närbelägna galaxer, förklarar Göran Östlin , men det är svårt att observera hos de mest avlägsna galaxerna. Lyman-alfa-ljus är i sin tur svåråtkomligt i det närbelägna universum men lätt att upptäcka långt bort. I den här studien har vi letat efter galaxer just där vi kan hitta dem i båda slags ljus samtidigt.

Kartläggningen blev så pass djup att astronomerna kunde upptäcka några av de allra ljussvagaste galaxerna som vi känner till från denna epok i universums historia. Utifrån de nya mätningarna kunde de då dra slutsatsen att traditionella kartläggningar gjorda i Lyman-alfa-ljus endast ser en bråkdel av det totala ljuset som produceras i galaxerna. De flesta fotoner (ljuspartiklar) av Lyman-alfa absorberas eller sprids när de växelverkar med moln av gas och stoft mellan stjärnorna. Detta påverkar Lyman-alfa-ljuset i långt större utsträckning än H-alfa. Resultatet blir att många galaxer – så mycket som 90 procent – blir helt förbisedda i dessa kartläggningar.

- Om man ser 10 galaxer betyder det att det skulle egentligen kunna finnas hundra stycken där, summerar Matthew Hayes.

Astronomers observationsmetoder riktar in sig mot ljus med specifika våglängder, och ger därför bilder av universum som aldrig kan vara heltäckande. Slutsatserna av den här undersökningen gör ändå att det ringer en ordentlig varningsklocka för kosmologer, då Lyman-alfa används allt mer för att undersöka de allra första galaxerna som bildades i universum.

- Nu när vi vet hur pass mycket ljus som saknas kan vi börja bygga en mer pålitliga bild av kosmos. Då kan vi också förstå bättre hur pass snabbt stjärnor har kunnat bildas vid olika tidpunkter under universums utveckling, säger medförfattaren Miguel Mas-Hesse.

Bakom genombrottet ligger ett nytt instrument, den unika infrarödkameran HAWK-I, som såg sitt första ljus 2007.

Teammedlemmen Daniel Schaerer hyllar kamerans förmågor:

- Det finns bara några få andra kameror med vidvinkelfält som är lika stora som HAWK-I, och de finns vid teleskop som är mindre än hälften av VLT:s storlek, säger han. Det betyder att det är egentligen bara HAWK-I som klarar av att effektivt hitta så här ljussvaga galaxer vid de här avstånden.

Noter
[1] Lyman-alfa-ljus avges från en exciterad väteatom (när elektronen i atomen hoppar från det första exciterade tillståndet ner till grundtillståndet). Ljuset avges då i ultraviolett, med våglängd 121,6 nanometer. Lyman-alfa-linjen är den första i den så kallade Lyman-serien, uppkallad efter dess upptäckare, fysikern Theodore Lyman. Även Balmer-serien, döpt efter Johann Balmer, motsvarar ljus från exciterat väte. Då kallas den första linjen i serien H-alfa, och har våglängd 656,3 nanometer. I en galax är de flesta väteatomer i grundtillståndet; därför absorberar gasen mer effektivt Lyman-alfa-ljus än H-alfa-ljus, som kräver atomer med en elektron som är exciterad till andra nivån. Då detta förekommer mer sällan i den kalla gasen som genomsyrar galaxerna är de nästan helt genomskinliga för H-alfa-ljus.

[2] Ett smalbandsfilter är ett optiskt filter som tagits fram för att släppa igenom ljus med en mycket smal bandbredd, centrerat vid en på förhand bestämd våglängd. Bland de traditionella smalbandfilter återfinns sådana som är centrerade vid linjer i Balmer-serien, som till exempel H-alfa.

[3] Universums expansion gör att ljuset från ett avlägset objekt förskjuts mot längre våglängder beroende på dess avstånd – så kallad rödförskjutning. En rödförskjutning på 2,2, som motsvarar galaxer vars ljus har tagit cirka 10 miljarder år för att nå oss, betyder att ljuset blivit uträckt med 220 procent. Då framträder Lyman-alfa-ljuset inom det synliga området, med våglängd kring 390 nanometer, och kan observeras med instrumentet FORS vid ESO:s VLT. Likaså förskjuts H-alfa-linjen mot 2,1 mikrometer, i kortvågigt infrarött ljus, och kan då observeras med instrument som HAWK-I vid VLT.

Mer information
Forskningsresultaten presenteras i en artikel som utkommer i tidskriften Nature (“Escape of about five per cent of Lyman-alpha photons from high-redshift star-forming galaxies” av M. Hayes m. fl.).

Projektet föddes när Matthew Hayes var doktorand vid Institutionen för astronomi, Stockholms universitetet. Det specialgjorda filtret kunde tas fram tack vare bidrag från Märta och Erik Holmbergs donation för astronomi och fysik.

Forskarteamet består av Matthew Hayes, Daniel Schaerer och Stéphane de Barros (Genèveuniversitetets astronomiska observatorium, Schweiz), Göran Östlin och Jens Melinder (Institutionen för astronomi, Stockholms universitet, Sverige), J. Miguel Mas-Hesse (CSIC-INTA, Madrid, Spanien), Claus Leitherer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), Hakim Atek och Daniel Kunth (Institut dAstrophysique de Paris, Frankrike) och Anne Verhamme (Oxford Astrophysics, Storbritannien).

ESO, Europeiska sydobservatoriet, är Europas främsta mellanstatliga organisation för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 14 länder: Belgien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av kraftfulla markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra viktiga vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal driver ESO Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och VISTA, det största kartläggningsteleskopet. ESO är den europeiska partnern i ALMA, ett revolutionerande astronomiskt teleskop och det största astronomiska projekt som finns. ESO planerar för närvarande ett 42-meters europeiskt extremt stort teleskop för synligt och infrarött ljus, E-ELT, som kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.


För ytterligare information
Robert Cumming, astronom, kontaktperson för ESO:s utåtriktade
verksamhet i Sverige 070 49 33 114, robert@astro.su.se
http://www.eso.org/public/outreach/eson/

Matthew Hayes
Genèveuniversitetets astronomiska observatorium, Schweiz
Tel: +41 22 379 24 32, +41 76 243 13 55, matthew.hayes@unige.ch

Göran Östlin
Institutionen för astronomi, Stockholms universitet, Sverige
Tel: 08 55 37 85 13, ostlin@astro.su.se

För bild
http://www.eso.org/public/images/eso1013a/

http://www.eso.org/public/videos/eso1013a/

Vid Stockholms universitet pågår utbildning och forskning på högsta nivå. Universitetet deltar i regionala, nationella och internationella samarbeten, i debatt och i samhällsutveckling. Här är mer än 50 000 studenter och 6 000 medarbetare verksamma inom humaniora, juridik, naturvetenskap, samhällsvetenskap och lärarutbildning i en miljö där öppna sinnen möts och utvecklas. www.su.se