Najlepsza soczewka grawitacyjna pozwala zbadać wczesną galaktykę spiralną

Najlepsza soczewka grawitacyjna pozwala zbadać wczesną galaktykę spiralnąOriginal Press Release
Astronomowie Obserwatorium Kecka na Hawajach wykorzystujący 10-metrowy teleskop Keck II na Mauna Kea wspomagany przez nadzwyczaj przejrzystą soczewkę grawitacyjną dostrzegli niezwykłe szczegóły z życia wczesnej, małej galaktyki spiralnej o nazwie Sp1149 leżącej w odległości 9,3 miliardów lat świetlnych od nas.

Mamy szczęście, że jej obraz nie został strasznie zniekształcony. Coś co leży tak daleko, bez soczewkowania, pozostałoby rozmazaną kropką

Lisa Kewley
University of Hawaii at Manoa

Soczewki grawitacyjne to największe teleskopy, jakie istnieją we Wszechświecie. Tworzą je niezwykle masywne gromady tysięcy galaktyk, których wspólna masa ugina i wzmacnia światło leżących poza nimi odległych obiektów w sposób podobny do soczewki. Zazwyczaj jednak  soczewki grawitacyjne są dalekie od doskonałości. Chociaż czynią widocznymi bardzo odległe galaktyki istniejące we wczesnym Wszechświecie, jednak zazwyczaj przepuszczają ich obraz przez kosmiczny młynek do kawy. W rezultacie, zamazane i zniekształcone obrazy nie dostarczają zbyt wielu informacji na temat wyglądu pierwszych galaktyk.

Inaczej stało się w przypadku eleganckiej, małej galaktyki spiralnej o nazwie Sp1149, położonej w odległości 9,3 miliardów lat świetlnych od nas. Obrazu galaktyki został przez soczewkę grawitacyjną powiększony 22 razy a jej obraz nie został znacząco zniekształcony, jak widać na zdjęciu wykonanym przez teleskop kosmiczny Hubble'a (HST). Obraz galaktyki został po raz pierwszy zaobserwowane w szczegółach przez Yuan Tiantian z Uniwersytetu na Hawajach (UH) i na zdjęciu wykonanym przez Haralda Ebelinga (UH) a opublikowanym przez zespół Grahama P. Smitha w 2009 roku. Masywna gromada galaktyk, która stworzyła soczewkę znajduje się w rozległej przestrzeni między Sp1149 i Ziemią, i jest widoczna obok Sp1149 na zdjęciu HST.

Jak wyjaśnia Lisa Kewley sekretem udanego powiększenie Sp1149 jest to, że znalazła się ona w szczególnej pozycji za ogniskującą ją gromadą, pozycji dzięki której jej światło zostało równomiernie ugięte we wszystkich kierunkach.

Fakt, że możliwe jest wskazanie jądra galaktyki Sp1149 oraz jej ramion spiralnych, plus to, że widzimy ją wtedy, gdy Wszechświat miał tylko jedną trzecią obecnego wieku, czyni z niej doskonałą próbką do badań różnych modeli ewolucji galaktyk. W tym celu, Yuan, Kewley i ich współpracownicy skierowali na Sp1149 teleskop Keck II. Wykorzystując adaptywną optyk w celu wyeliminowania większości zniekształceń powodowanych przez atmosferę ziemską oraz instrumentu OSIRIS (który odfiltrowuje szum powodowany przez cząstki hydroksylu zawieszone w atmosferze Ziemi) naukowcy byli w stanie uzyskać bezprecedensowy obraz dystrybucji pierwiastków w Sp1149. W szczególności tlenu, którego rozmieszczenie wiele mówi o historii rozwoju galaktyki, ponieważ pierwiastek ten koncentruje się w obszarach, w których jest więcej starych gwiazd – czyli w częściach galaktyki, gdzie więcej gwiazd zdążyło już powstać i umrzeć. W przypadku Sp1149, rozmieszczenie tlenu wiele mówi o jej historii.

„Tlen jest w tej galaktyce spiralnej skoncentrowany głównie w centrum” – mówi Kewley. -” To w jądrze zatem powstało najwięcej gwiazd.”

Ostry spadek ilości tlenu, od jądra do dysku zewnętrznego sugeruje, że gwiazdy powstają najpierw w jądrach galaktyk i tworzą tam regiony najstarszych gwiazd, a dopiero później gwiazdy powstają w dysku i w ramionach. Dane te potwierdzają potwierdzają model ewolucji galaktyk znany jako inside-out (od jądra na zewnątrz).

„To jedna z hipotez”- wyjaśnia Kewley. -„Istnieją modele przewidujące odwrotny kierunek. Przez długi czas nie mieliśmy podstaw do stwierdzenia kto ma rację.” Aby odpowiedzieć na to pytanie potrzebne było zbadanie czegoś innego niż lokalne galaktyki, aby zobaczyć, jak gradienty tlenu wyglądały dużo wcześniej w historii Wszechświata. Bez takiej galaktyki, astronomowie nie mieli nic, poza galaktykami w średnim wieku by ocenić kto ma rację. To tak jakby badać życie żaby i nigdy nie widzieć kijanki.

„Po raz pierwszy ktoś zrobił taki szczegółowy i precyzyjny pomiar gradientu tlenu, w galaktyce nie będącej galaktyką współczesną”- mówi Kewley. Yuan, Kewley i ich koledzy opublikowali swoje odkrycie w czasopiśmie  Astrophysical Journal Letters.

Teraz, gdy zespół znalazł pierwszą galaktyczną kijankę, ma zamiar zapolować na więcej, mówi Kewley. Zamierzają też przeprowadzić badania  galaktyk, które, jeżeli chodzi o wiek, są w połowie drogi między lokalnymi galaktykami i Sp1149. Z tych próbek pochodzących z różnych epok, Kewley i jej koledzy mają nadzieję stworzyć lepszą historię życia galaktyk takich, jak nasza.

Źródła:

Nature’s Best Magnifying Glass Views Early Spiral Galaxy

Astronomers in Hawaii have plucked unprecedented details from the life of an early galaxy using an unusually lucid gravitational lens coupled with the powerful 10-meter Keck II Telescope on Mauna Kea.

Gravitational lenses are Nature’s largest telescopes, created by colossally massive clusters of thousands of galaxies that bend and magnify the light of more distant objects behind them in a way similar to a glass lens. But gravitational lenses are far from perfect. Though they make very distant galaxies from the early universe visible to telescopes, they also put the images through a cosmic blender. As a result, the smeared and distorted images don’t offer much in the way of direct information about what the earliest galaxies looked like.

But that is not the case for an elegant little spiral galaxy called Sp1149, located 9.3 billion light-years away. The galaxy’s image has come through a gravitational lens magnified 22 times and fairly intact, as seen in a Hubble Space Telescope image. The image was first observed in detail by the University of Hawaii’s Tiantian Yuan and was initially taken by Harald Ebeling, also of Hawaii, and published by Graham P. Smith and colleagues in 2009. The giant cluster of galaxies that created the lens is located in the vast expanse of space between Sp1149 and Earth, and appears beside Sp1149 in the Hubble image.

The secret to Sp1149’s successful magnification is that it is in a special position behind the cluster which allows its light to be bent equally in all directions, explained astronomer Lisa Kewley of the University of Hawaii at Manoa.

“We’re lucky that it’s not being terribly distorted,” said Kewley. “Something so far away that’s not lensed would look like a blurred dot.”

The fact that you can distinguish the galactic core and spiral arms of Sp1149, plus the fact that we are seeing the galaxy as it was when the universe was only a third of its current age, makes it a great specimen for testing different models of how galaxies are born and then grow up to be places like our own Milky Way.

To that end, Yuan, Kewley and their colleagues aimed the Keck II Telescope at Sp1149. With the help of Laser Guide Star Adaptive Optics (which cancels out much of the optical distortions caused by Earth’s atmosphere) and the OSIRIS instrument (which filters out the noise created by hydroxyl molecules in Earth’s atmosphere) the researchers were able to get an unprecedented look at the distributions of elements in Sp1149. Oxygen, in particular, is very revealing because the element accumulates more in the older stellar neighborhoods – the parts of galaxies where stars have lived and died more. In the case of Sp1149, the oxygen distribution spoke volumes.

“The oxygen in the spiral galaxy was much more concentrated at the center,” said Kewley. “They had a lot of star formation at the center.”

This sharp oxygen gradient, from core to outer disk, suggests that stars in the cores of galaxies form first and create the oldest stellar neighborhoods in Sp1149, followed later by the disk and arms. That supports what’s called the inside-out model of galactic evolution, she said.

“This is an idea that has been out there,” explained Kewley. “Some models predict the opposite. “It’s been an open question for a long time.” What has been needed was something other than a local galaxy to study to see how the oxygen gradients looked much earlier in a galaxy’s history. Without that, astronomers would have nothing but middle aged galaxies to judge from. They would be like a biologist studying the lives of frogs without ever having seen a tadpole.

“This is the first time anyone has done such a detailed and precise oxygen gradient that wasn’t on a local galaxy,” said Kewley. Yuan, Kewley and their colleagues published their discovery in the journal May 1 issue of Astrophysical Journal Letters (available online at http://arxiv.org/abs/1103.3277)

Now that the team has found one galactic tadpole, they are hunting for more, said Kewley. They also are hoping to study some galaxies that are midway between the ages of our local galaxies and Sp1149. With these samples from different ages, Kewley and her colleagues hope to piece together a much clearer life history of galaxies like our own.

The W. M. Keck Observatory operates two 10-meter optical/infrared telescopes on the summit of Mauna Kea on the Big Island of Hawaii. The twin telescopes feature a suite of advanced instruments including imagers, multi-object spectrographs, high-resolution spectrographs, integral-field spectroscopy and a world-leading laser guide star adaptive optics system which cancels out much of the interference caused by Earth’s turbulent atmosphere. The Observatory is a private 501(c) 3 organization and a scientific partnership of the California Institute of Technology, the University of California and NASA.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *