Hubble søger svaret på de første galaksers opståen – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2018 > Hubble søger svaret på...

12. september 2018

Hubble søger svaret på de første galaksers opståen

BUFFALO projektet:

Hvordan dannedes de første galakser? BUFFALO projektet, et nyt Hubble Frontier Fields Program, der skal studere de første galakser med Hubble Space Teleskopet, har indledt en stor videnskabelig undersøgelse, som løber over det næste års tid. Charles Steinhardt fra Cosmic Dawn Center på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet står i spidsen for projektet, der tæller over 100 forskere fra 18 lande og fem kontinenter.

Her ses et billede af den tætte Abell 370 galaksehob og omgivende galakser. De galakser, der er tættest på centrum bliver forvrænget og forstørret af fænomenet ’gravitational lensing’. I de kommende år vil BUFFALO projektet anvende denne og lignende observationer til at undersøge dannelsen af de første galakser i universet, og den følgende udvikling af tætte galaksehobe - samt kortlægge og forske i fordelingen af mørkt stof i dem. Foto: Hubble Space Telescope, BUFFALO collaboration.

Forskerne vil studere de tidligste stadier af de første galaksers dannelse, mindre end 800 millioner år efter Big Bang, da universet endnu kun havde nået 6 % af sin nuværende alder. Undersøgelsen skal kaste lys over de processer, der fører til samlingen af galakser. Hubble teleskopet kommer til at bruge 100 kredsløb om Jorden, eller ca. 160 timers observationstid på BUFFALO projektet, hvilket gør det til det hidtil største studie af galaksers udvikling med Hubble.

’Gravitational lensing’ gør det muligt at se de fjerneste galakser

Dette nye projekt bygger videre på et af de hidtil største og mest ambitiøse forskningsprojekter i det tidlige univers, nemlig Frontier Fields programmet, der har skubbet vores kig tilbage i tiden til kun 435 millioner år efter Big Bang. Den fælles indsats fra NASAs store observatorier, kombineret med den enorme tyngdekraft fra seks galaksehobe, der gør dem anvendelige som ”naturlige teleskoper”, har muliggjort opdagelsen af galakser så fjerne og lyssvage, at de ikke ville kunne være blevet opdaget kun ved hjælp af Hubble teleskopet. Den store masse i galaksehobene, primært bestående af det ukendte mørke stof, forstørrer og forvrænger lyset fra de fjerne galakser, når det passerer gennem dem, takket være effekten ’gravitational lensing’. På dansk: ’Gravitationslinseeffekt’.

Det er denne ekstra forstørrelse, som muliggør studiet af de fjerneste galakser, som Hubble ikke kan observere uden hjælp. Galakser, som er opdaget igennem Frontier Fields programmet, er siden blevet studeret af samtlige store teleskoper i verden, inklusiv Spitzer Space Telescope og Chandra Space Telescope.

En model af James Web Space Telescope fra 2005 i fuld skala sammen med teamet bag. Foto: NASA

BUFFALO og James Webb Teleskopet

BUFFALO kommer endvidere til at udvide området for HUBBLE observationer omkring disse galaksehobe. Et af BUFFALOs hovedmål er at fastslå, hvor hurtigt galakser dannedes i de første 800 millioner år efter Big Bang, så denne information kan bruges til at designe strategier for brugen af det kommende James Webb Teleskop. Til en pris på 62 mia. danske kroner er det den dyreste videnskabelige installation, som nogensinde er konstrueret. Det er planlagt til opsendelse i 2021 med udforskningen af de første galakser som sin primære mission. Det nye Cosmic Dawn Center ved Niels Bohr Institutet og DTU Space er dannet, netop med henblik på at udnytte den store, danske deltagelse i konstruktionen af dets instrumenter og de nye studier, som James Webb Space Teleskopet muliggør.

Statistisk usikkerhed = masser af benarbejde for astronomerne

Selvom Frontier Fields programmet allerede har opdaget nogle af de første galakser, er vores forståelse af det tidlige univers begrænset af en statistisk usikkerhed, som kaldes kosmisk variation. Hver eneste galakse begyndte sit liv som en tilfældig tæthed af materiale kort efter Big Bang. De områder af kosmos, som havde større masse end andre, havde også større tyngdekraft og voksede dermed siden til de strukturer vi ser i dag. Imidlertid er de områder, der havde de største forekomster af materiale, forbundet på den måde, at de første galakser er dannet i hobe – eller grupper af galakser. Det betyder, at en korrekt optælling af de første galakser må dække så stort et område som muligt, så både områder med mange tidlige galakser og de langt mere almindeligt forekommende områder, som ikke dannede galakser lige så tidligt, er inkluderet i opmålingen. Ellers får man et forkert totalbillede af galaksedannelsen.

BUFFALO – et effektivt samarbejde mellem teleskoper

Charles Steinhardt fra grundforskningscentret  Cosmic Dawn Center (DAWN) er leder af BUFFALO projektet.

I og med, at Frontier Fields programmet allerede har fastslået hvordan de første galakser ser ud, bliver det muligt for BUFFALO at finde de interessante galakser ti gange mere effektivt end de første Frontier Fields undersøgelser. BUFFALO vil også kunne drage fordel af observationer fra andre teleskoper, inklusiv ultra dybe observationer fra Spitzer Space Telescope, som allerede er foretaget omkring disse galaksehobe. ”Spitzer har en større betragtningsvinkel end Hubble, så en del observationstid på Spitzer og andre store teleskoper er allerede investeret i at udvide området omkring Frontier Fields programmet”, siger Charles Steinhardt  fra Cosmic Dawn Center på Niels Bohr Institutet, som leder projektet. ”Ved at udfylde området med yderligere observationer med Hubble, kan vi benytte ikke blot et, men adskillige teleskoper”.

Finindstilling af ’gravitational lensing’

Det er imidlertid noget af en opgave at rekonstruere den information, man har fra Frontier Fields om disse naturlige telskoper. Første skridt er at skabe så detaljeret et kort som muligt over galaksehobene, så man kan fastslå nøjagtig hvor stor forstørrelse de laver. ”Ved at udvide det område vi kortlægger omkring hobene, vil vi kunne forbedre vores estimat af den forstørrelse, de skaber – et helt nødvendigt skridt til at studere de fjerne galakser, BUFFALO vil opdage”, siger Mathilde Jauzac fra University of Durham, co-leader på projektet, som kortlægger mørkt stof i galakse-linserne.”Desuden vil BUFFALO give os adgang til at måle præcis hvor meget mørkt stof der er i disse tætte galaksehobe, og dermed spore deres udviklingshistorie, hvilket vi mangler i vores nuværende udviklingsteorier”.

Data fra BUFFALO vil blive tilgængeligt for det astro-videnskabelige kredse umiddelbart, og de første resultater publiceret senere i år.