Teleskop ALMA opowiada na nowo historię narodzin gwiazd

Teleskop ALMA opowiada na nowo historię narodzin gwiazdOriginal Press Release
ESO-7Obserwacje wykonane za pomocą teleskopu ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) pokazują, że okresy najgwałtowniejszej produkcji gwiazd we Wszechświecie miały miejsce znacznie wcześniej niż dotychczas sądzono.

Zdjęcia wykonane przez ALMA ukazują galaktyki tła skręcone w wielokrotne świetlne łuki, znane jako pierścienie Einsteina, które otaczają leżącą bliżej galaktykę. Używamy ogromnych ilości ciemnej materii otaczającej galaktyki w połowie rozmiaru Wszechświata jako kosmicznych teleskopów do powiększenie i pojaśnienia bardziej odległych galaktyk”.

Yashar Hezaveh
Uniwersytet McGill

Uważa się, że najintensywniejsze wybuchy narodzin gwiazd następowały we wczesnym Wszechświecie, w masywnych, jasnych galaktykach. Te galaktyki gwiazdotwórcze w szalonym tempie przekształcały olbrzymie rezerwuary kosmicznego gazu i pyłu w nowe gwiazdy – setki razy szybciej niż dostojne galaktyki spiralne, takie jak nasza własna Droga Mleczna. Patrząc dalej w kosmos, na galaktyki tak odległe, że ich światło potrzebuje wielu miliardów lat, aby do nas dotrzeć, astronomowie mogą obserwować ten okres intensywnej młodości Wszechświata.

„Im odleglejsza jest galaktyka, tym dalej zalgądamy w przeszłość, a więc mierząc odległości możemy złożyć razem układankę na osi czasu pokazującą jak szybko w różnych epokach istnienia Wszechświat tworzył nowe gwiazdy w ciągu swojej mającej 13,7 miliardów lat historii”- mówi Joaquin Vieira (Caltech), kierownik zespołu badawczego i główny autor artykułu w czasopiśmie Nature.

Międzynarodowy zespół badaczy odkrył najpierw te odległe i enigmatyczne galaktyki gwiazdotwórcze za pomocą 10-metrowego South Pole Telescope (SPT), należącego do amerykańskiej National Science Foundation, a następnie wykorzystał ALMA do dokładniejszego zbadania gwiezdnego wyżu demograficznego w młodym Wszechświecie. Naukowcy byli zaskoczeni, gdy stwierdzili, że wiele z odległych, zapylonych galaktyk gwiazdotwórczych znajduje się jeszcze dalej niż sądzono. Oznacza to, że ich procesy gwiazdotwórczy następowały 12 miliardów lat temu (uśredniając), gdy Wszechświat miał mniej niż 2 miliardy lat – cały miliard lat wcześniej niż uważano do tej pory.

Dwie z tych galaktyk są najdalszymi zaobserwowanymi obiektami swojego typu – tak odległymi, że ich światło rozpoczęło swoją podróż gdy Wszechświat miał tylko jeden miliard lat. Co więcej, w jednej z rekordzistek wykryto molekuły wody, co oznacza obserwacje najdalej występującej wody w kosmosie spośród wyników opublikowanych do tej pory.

Zespół wykorzystał nadzwyczają czułość teleskopu ALMA, aby zarejestrować światło od 26 tego typu galaktyk na falach od długości około trzech milimetrów. Światło na pewnej specyficznej długości fali może być wytwarzane przez molekuły gazu z tych galaktyk, ale zostało rozciągnięte przez rozszerzanie się Wszechświata w ciągu miliardów lat swojej podróży, zanim dotarło do nas. Mierząc rozciągnięte światła astronomowie mogą obliczyć jak długo trwała jego podróż i umiejscowić galaktykę we właściwym momencie kosmicznej historii.

„Czułość ALMA i szeroki zakres długości fali oznaczają, że możemy wykonywać nasze pomiary w ciągu zaledwie kilku minut na galaktykę – około sto razy szybciej niż dotąd”- mówi Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie w Bonn, Germany), który kierował pomiarami odległości do galaktyk. -„Do tej pory pomiary tego typu były pracochłonnym procesem łączenia danych z teleskopów światła widzialnego i fal radiowych.”

W większości przypadków obserwacje ALMA samodzielnie wystarczają do sprecyzowania odległości, ale dla kilku galaktyk zespół połączył dane z ALMA z pomiarami z innych teleskopów, w tym Atacama Pathfinder Experiment (APEX) oraz Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), należącego do ESO.

Astronomowie używali jedynie częściowej sieci 16 gigantycznych anten ALMA (pełna sieć ma 66 anten), gdyż obserwatorium było w trakcie budowy na wysokości 5000 metrów n.p.m. na odległym płaskowyżu Chajnantor w Andach Chilijskich. Po ukończeniu ALMA będzie jeszcze czulsza i będzie w stanie wykryć słabsze galaktyki. Na razie astronomowie wycelowali anteny w jaśniejszą z opisywanej pary. Skorzystali z pomocnej dłoni natury: użyli soczewkowania grawitacyjnego, efektu przewidzianego przez ogólną teorię względności Einsteina, gdy światło z odległej galaktyki jest zaburzone przez grawitacyjne oddziaływanie bliższej galaktyki, która działa jak soczewka i powoduje, że odległy obiekt wydaje się jaśniejszy.

Aby zrozumieć dokładnie o ile soczewkowanie grawitacyjne rozjaśniło widok galaktyki, zespół uzyskał ostre obrazy wykonując więcej obserwacji za pomocą ALMA na falach o długości około 0,9 milimetra. Analizy zaburzeń wskazują, że niektóre z odległych galaktyk gwiazdotwórczych mają jasność 40 bilionów słońc, a soczewkowanie grawitacyjne pojaśniło je 22 razy.

„Do tej pory odnaleziono jedynie kilka galaktyk soczewkowanych grawitacyjnie na tych falach submilimetrowych, ale teraz SPT oraz ALMA odkryły dziesiątki takich obiektów” – mówi Carlos De Breuck (ESO), członek zespołu. -„Ten rodzaj nauki był wcześniej wykonywany w zakresie widzialnym za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, ale nasze wyniki pokazują, że ALMA stała się nowym, bardzo mocnym graczem na tym polu.”

„To wspaniały przykład jak astronomowie z całego świata współpracują, aby dokonać niesamowitego odkrycia za pomocą najnowocześniejszego instrumentu”-  mówi członek zespołu Daniel Marrone (University of Arizona, USA). -„To dopiero początek dla ALMA i dla badań galaktyk gwiazdotwórczych. Naszym następnym krokiem będzie bardziej szczegółowe zbadanie tych obiektów i dowiedzenie się dokładnie jak i dlaczego tworzą gwiazdy w tak szybkim tempie.”

Źródła:

ALMA Rewrites History of Universe’s Stellar Baby Boom

ESO-7Observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) show that the most vigorous bursts of star birth in the cosmos took place much earlier than previously thought. The results are published in a set of papers to appear in the journal Nature on 14 March 2013, and in the Astrophysical Journal. The research is the most recent example of the discoveries coming from the new international ALMA observatory, which celebrates its inauguration today.

The most intense bursts of star birth are thought to have occurred in the early Universe, in massive, bright galaxies. These starburst galaxies convert vast reservoirs of cosmic gas and dust into new stars at a furious pace — many hundreds of times faster than in stately spiral galaxies like our own galaxy, the Milky Way. By looking far into space, at galaxies so distant that their light has taken many billions of years to reach us, astronomers can observe this busy period in the Universe’s youth.

“The more distant the galaxy, the further back in time one is looking, so by measuring their distances we can piece together a timeline of how vigorously the Universe was making new stars at different stages of its 13.7 billion year history,” said Joaquin Vieira (California Institute of Technology, USA), who led the team and is lead author of the paper in the journal Nature.

The international team of researchers first discovered these distant and enigmatic starburst galaxies with the US National Science Foundation’s 10-metre South Pole Telescope (SPT) and then used ALMA to zoom in on them to explore the stellar baby boom in the young Universe. They were surprised to find that many of these distant dusty star-forming galaxies are even further away than expected. This means that, on average, their bursts of star birth took place 12 billion years ago, when the Universe was just under 2 billion years old — a full billion years earlier than previously thought.

Two of these galaxies are the most distant of their kind ever seen — so distant that their light began its journey when the Universe was only one billion years old. What’s more, in one of these record-breakers, water is among the molecules detected, marking the most distant observations of water in the cosmos published to date.

The team used the unrivalled sensitivity of ALMA to capture light from 26 of these galaxies at wavelengths of around three millimetres. Light at certain specific wavelengths can be produced by gas molecules in these galaxies, and the wavelengths are stretched by the expansion of the Universe over the billions of years that it takes the light to reach us. By measuring the stretched wavelengths, astronomers can calculate how long the light’s journey has taken, and place each galaxy at the right point in cosmic history.

“ALMA’s sensitivity and wide wavelength range mean we could make our measurements in just a few minutes per galaxy — about one hundred times faster than before,” said Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Germany), who led the work to measure the distances to the galaxies. “Previously, a measurement like this would have been a laborious process of combining data from both visible-light and radio telescopes.”

In the majority of cases, the ALMA observations alone could pinpoint the distances, but for a few galaxies the team combined the ALMA data with measurements from other telescopes, including the Atacama Pathfinder Experiment (APEX) and ESO’s Very Large Telescope.

The astronomers were using only a partial array of 16 of ALMA’s full complement of 66 giant antennas, as the observatory was still under construction at an altitude of 5000 metres on the remote Chajnantor Plateau in the Chilean Andes. When complete, ALMA will be even more sensitive, and will be able to detect even fainter galaxies. For now, astronomers targeted the brighter ones. They took advantage of a helping hand from nature, too: using gravitational lensing, an effect predicted by Einstein’s general theory of relativity, where light from a distant galaxy is distorted by the gravitational influence of a nearer foreground galaxy, which acts like a lens and makes the distant source appear brighter.

To understand by precisely how much this gravitational lensing brightened the view of the galaxies, the team made sharper images of them using more ALMA observations at wavelengths of around 0.9 millimetres.

„These beautiful pictures from ALMA show the background galaxies warped into multiple arcs of light known as Einstein rings, which encircle the foreground galaxies,” said Yashar Hezaveh (McGill University, Montreal, Canada), who led the study of the gravitational lensing. “We are using the massive amounts of dark matter surrounding galaxies half-way across the Universe as cosmic telescopes to make even more distant galaxies appear bigger and brighter.”

Analysis of the distortion reveals that some of the distant star-forming galaxies are as bright as 40 trillion (40 million million) Suns, and that gravitational lensing has magnified this by up to 22 times.

“Only a few gravitationally lensed galaxies have been found before at these submillimetre wavelengths, but now SPT and ALMA have uncovered dozens of them.”  said Carlos De Breuck (ESO), a member of the team. “This kind of science was previously done mostly at visible-light wavelengths with the Hubble Space Telescope, but our results show that ALMA is a very powerful new player in the field.”

„This is an great example of astronomers from around the world collaborating to make an amazing discovery with a state-of-the-art facility,” said team member Daniel Marrone (University of Arizona, USA). „This is just the beginning for ALMA and for the study of these starburst galaxies. Our next step is to study these objects in greater detail and figure out exactly how and why they are forming stars at such prodigious rates.”

Written by admin

Dodaj komentarz

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