Oväntad kemi avslöjar stjärnfabriker i fjärran galaxer

Ett Chalmers-lett forskarlag har studerat två galaxer, långt ut i universum, som innehåller extremt produktiva stjärnfabriker. Astronomerna delade upp galaxernas ljus i enskilda färger med hjälp av kraftfulla teleskop, och blev överraskade av hur många olika molekyler de upptäckte spår av – fler än någonsin tidigare vid så stort avstånd. Mätningar som dessa kan revolutionera vår kunskap om hur galaxer betedde sig under början av universums utveckling, tror forskarna.

När vårt universum var ungt var galaxerna annorlunda jämfört med dagens ståtliga spiraler, som är fulla av mjukt lysande solar och färgglada gasmoln. Då bildades nya stjärnor i en takt som var hundratals gånger snabbare än i dagens universum. Det mesta skedde bakom tjocka lager av stoft, vilket idag innebär en rejäl utmaning för forskare som vill undersöka dessa stjärnfabrikers hemligheter.

Men astronomerna kan få en glimt av hur så många stjärnor kunde skapas, genom att studera avlägsna galaxer med hjälp av kraftfulla teleskop.

I en ny studie beskriver Chalmersforskaren Chentao Yang och hans forskarlag nya mätningar med observatoriet Noema (Northern Extended Millimetre Array) i Frankrike. Yang och hans kollegor mätte ljuset från två starkt lysande galaxer i det tidiga universum. Båda hade en hög stjärnbildningstakt, och en av dem är en så kallad kvasar.

– Vi visste att dessa galaxer var extremt effektiva stjärnfabriker, kanske bland universums mest extrema. För att kunna ta reda på hur de fungerade mätte vi deras ljus vid våglängder runt en millimeter, i hopp om att samla in nya ledtrådar, säger Chentao Yang.

Galaxernas dramatiska kemi fascinerar forskarna

Mätningarna visade sig bli mer framgångsrika än vad forskarna hade förväntat sig. I ljuset som de registrerade från de båda galaxerna kunde de se spår av många olika sorters molekyler. När stjärnorna bildades skickades ljus ut i många olika våglängder från de moln av gas och stoft där stjärnorna föddes, djupt inne i galaxerna.

– Det är en fantastisk explosion av färger, i nyanser som det mänskliga ögat inte kan se. Genom att kombinera våra observationer med vår kunskap om fysik och kemi kan vi förstå vad färgerna betyder, och se vilka skillnader det finns mellan olika galaxer, förklarar Sergio Martín från forskarlaget.

Genom att analysera båda galaxernas spektrum – de individuella färgerna som tillsammans utgör deras ljus – kunde forskarna identifiera 13 olika molekyler, varav flera som aldrig tidigare har upptäckts i så avlägsna galaxer.  Molekylerna erbjuder ny information om de fysikaliska och kemiska förhållandena i dessa galaxer. Varje molekyl ger olika ledtrådar om temperatur, tryck och täthet i rymden mellan stjärnorna – liksom om hur stjärnljus, strålning och materia samverkar.

– Att tolka signalerna är en utmaning. Här ser vi en del av det elektromagnetiska spektrumet som är svår att observera i närliggande galaxer. Men tack vare universums expansion förskjuts ljuset från avlägsna galaxer som dessa till längre våglängder, som vi kan se med radioteleskop som observerar i submillimeter-ljus, säger Chentao Yang.

Mer som en neonupplyst stad än en natt under stjärnorna

De galaxer som teamet har studerat ligger båda så långt bort att det har tagit nästan 13 miljarder år för deras ljus att nå fram till oss.

– Att titta på de här galaxerna är mindre som en natt under stjärnorna och mer som att se en stad upplyst av neonljus, säger Susanne Aalto, astronom på Chalmers och medlem i forskarlaget.

Astronomer är vana vid att ta bilder av stjärnfabriker i vår egen galax, som Orion-nebulosan och Carina-nebulosan, förklarar hon.

– I dessa två avlägsna galaxer ser vi stjärnfabriker som är större, ljusare, fulla av damm och annorlunda på många sätt. Nebulosor som Orion och Carina lyser tack vare ultraviolett ljus från heta, nyfödda stjärnor. Men i de två avlägsna galaxerna kan det ultravioletta ljuset inte ta sig förbi dammlagren. Mycket av belysningen beror i stället på kosmiska strålar – partiklar med hög energi som kan skapas av exploderande stjärnor, eller i närheten av supermassiva svarta hål, säger Susanne Aalto.

Nu kan vårt tidiga universums galaxer berätta sina historier

Trots att galaxer som dessa är sällsynta planerar forskarna att studera fler av dem, med hjälp av både Noema och dess ännu större systerteleskop, Alma (Atacama Large Millimetre/Submillimetre Array) i Chile. Båda teleskopen är känsliga för ljus med en våglängd runt en millimeter.

– Våra resultat visar hur Noema, med sina bredbandsmottagare och kraftfulla datorsystem, har öppnat nya möjligheter för att studera extrema galaxer som dessa på den norra himmelshalvan, säger Pierre Cox från forskarlaget. Från det södra halvklotet kommer Alma snart att erbjuda ännu fler möjligheter, tack vare planerade förbättringar av teleskopets känslighet och bandbredd. De mest spännande galaxerna i det tidiga universum kan äntligen få berätta sina historier med hjälp av sina molekyler.

Mer om forskningsresultaten

• Över hundra olika molekyler har upptäckts i rymden, i gasmolnen mellan stjärnorna. I denna studie identifierade astronomerna molekyler av kolmonoxid (CO), cyanoradikalen (CN), etynylradikalen (CCH), vätecyanid (HCN), formylkatjonen (HCO+), väteisocyanid (HNC), kolmonosulfid (CS), vatten (H₂O), hydroniumjonen (H₃O+), kväveoxid (NO), diazenylium (N₂H+), metylidynradikalen (CH) och cyklopropenyliden (c-C₃H₂). Flera av dessa (CH, CCH, c-C₃H₂, N₂H+ och H₃O+) har aldrig tidigare setts på så stora avstånd.
• Galaxerna i studien har beteckningarna APM 08279+5255 och NCv1.143. Tidigare studier har visat att de ligger så långt bort att deras ljus har färdats mot oss i nästan 13 miljarder år, vilket motsvarar deras så kallade rödförskjutningar som är 3,911 respektive 3,565. Rödförskjutning innebär att universums expansion sträcker ut ljuset från avlägsna galaxer till längre våglängder, som kan observeras med radioteleskop.
• Trots det stora avståndet lyser galaxerna klart vid radiovåglängder. Deras signaler förstärks tack vare anhopningar av andra galaxer som ligger längs ljusets färdväg – så kallad gravitationslinsning. Den ena galaxen, APM 08279+5255, är också en kvasar. Det är en galax vars centrum lyser starkt hela vägen från radiovågor till röntgenstrålar, på grund av material som snurrar runt ett supermassivt svart hål. Även NCv1.143 skulle kunna innehålla ett centralt svart hål.

Mer om studien och forskargruppen

• Forskningen presenteras i en artikel i tidskriften Astronomy & Astrophysics med titeln SUNRISE: The rich molecular inventory of high-redshift dusty galaxies revealed by broadband spectral line surveys.
• I forskarlaget ingår Chentao Yang (Chalmers), Alain Omont (CNRS och Sorbonne-universitetet, Frankrike), Sergio Martín (ESO och Joint Alma Observatory, Chile), Thomas G. Bisbas (Zhejiang-laboratoriet, Kina), Pierre Cox (CNRS och Sorbonne-universitetet, Frankrike), Alexandre Beelen (Aix Marseille University, Frankrike), Eduardo González-Alfonso (Universidad de Alcalá, Spanien), Raphaël Gavazzi (Aix Marseille University), Susanne Aalto (Chalmers), Paola Andreani (ESO), Cecilia Ceccarelli (Université Grenoble Alpes, CNRS), Yu Gao (Xiamen University, Kina), Mark Gorski (Chalmers), Michel Guélin (Iram, Frankrike), Hai Fu (University of Iowa, USA), Rob J. Ivison (ESO, Macquarie University, Dublin IAS och University of Edinburgh), Kirsten K. Knudsen (Chalmers), Matthew Lehnert (Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, CRAL, Frankrike), Hugo Messias (ESO och Joint Alma Observatory, Chile), Sebastien Muller (Chalmers) , Roberto Neri (Iram), Dominik Riechers (Universität zu Köln), Paul van der Werf (Leiden University, Nederländerna) och Zhi-Yu Zhang (Nanjings universitet, Kina).

Mer om observatoriet Noema

Teleskopuppställningen Noema, Northern Extended Millimeter Array, är det kraftfullaste observatoriet på norra halvklotet för ljus med våglängder kring en millimeter. Noema är beläget 2500 meter över havet på Plateau de Bure i de franska alperna, och drivs av Iram. Det består av en uppsättning av tolv antenner, var och en med diametern 15 meter. När antennerna gör mätningar arbetar de tillsammans som ett enda teleskop, genom att använda metoden interferometri.

För mer information, kontakta:

• Robert Cumming, astronom och kommunikatör, Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola, robert.cumming@chalmers.se, +46 70 493 31 14
• Chentao Yang, astronom, Chalmers tekniska högskola, chentao.yang@chalmers.se

Båda kontaktpersonerna talar engelska, och Robert Cumming talar även svenska. De är tillgängliga för live- och förinspelade intervjuer. På Chalmers har vi podd-studior och filmutrustning på plats och kan bistå vid förfrågningar om tv-, radio- eller podd-intervjuer.