16. december 2019

Skyer af kulstofatomer spredes omkring unge galakser langt ud over tidligere antagelser, siger nyt studie fra Niels Bohr Institutet

Astrofysik:

Et internationalt forskerhold har opdaget gigantiske skyer af kulstofgas, med en radius på mere end 30.000 lysår omkring unge galakser med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array teleskopet (ALMA) i Chile. Dette er den første bekræftelse nogensinde af, at kulstofatomer dannet i stjernerne i det tidlige univers, spreder sig ud over galakserne til det intergalaktiske rum. Ingen teoretiske studier har forudset disse enorme kulstofskyer omkring voksende galakser, og opdagelsen giver anledning til at stille fundamentale spørgsmål til vores nuværende forståelse af den kosmiske udviklingshistorie. Resultatet blev opnået af Seiji Fujimoto og hans kolleger, på en temmelig utraditionel måde, ved at studere data fra tidligere observationer. Seiji Fujimoto er postdoc ved Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet. Studiet er nu publiceret i Astrophysical Journal.

Ung galakse

Kunstnerisk fremstilling af en ung galakse omkranset af en enorm kulstofsky. Credit: NAOJ

Intelligent brug af arkivdata flyttede grænserne for observationernes nøjagtighed

”Vi undersøgte ALMAs videnskabelige arkiv meget grundigt og samlede alle de data, som indeholder radiosignaler fra kulstof-ioner i galakser i det tidlige univers, blot en milliard år efter Big Bang”, fortæller Seiji Fujimoto, hovedforfatter til den forskningsartiklen og tidligere Ph.d. ved Universitetet i Tokyo. ”Ved at kombinere alle data, opnåede vi en hidtil uset nøjagtighed. Skulle vi have opnået samme, høje præcision ved en enkelt observation, ville den have taget 20 gange længere end en typisk ALMA observation, noget som er nærmest umuligt at opnå”, siger han.

Opdagelsen antyder, at dele af universets udviklingshistorie skal skrives om

De tunge grundstoffer, som fx Oxygen og kulstof eksisterede ikke i universet lige efter Big Bang. De dannedes senere ved nuklear fusion i stjernerne. Det står imidlertid stadig ikke klart, hvordan disse tunge grundstoffer spredtes ud i universet. Astronomer har tidligere fundet tunge grundstoffer inde i unge galakser, men aldrig udenfor, bl.a. på grund af teleskopernes begrænsede følsomhed. Men dette forskerteam fandt frem til de svage signaler, der gemmer sig i tidligere observationers data og flyttede dermed grænserne for, hvad det er muligt at se.

”Skyerne af kulstof i gasform er næsten fem gange større end spredningen af stjernerne i galakserne, sådan som Hubble Space Teleskopet har observeret”, forklarer Masami Ouchi, professor ved Universitet i Tokyo og National Astronomical Observatory of Japan. ”Vi opdagede diffuse, men helt enorme skyer af kulstofatomer svævende i det kulsorte univers”.

billede af en ung galakse omkranset af kulstof sky

ALMA og NASA/ESA Hubble Space Telescope (HST) billede af en ung galakse omkranset af kulstof sky. Den røde farve viser fordelingen af kulstofgas. Billedet er lavet ved at kombinere data fra ALMA, kombineret af 18 galakser. Stjernefordelingen fotograferet af HST er vist med blåt. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope, Fujimoto et al.

Hvordan blev kulstofskyerne dannet?

”Supernova-eksplosioner ved afslutningen af en stjernes liv spreder de tunge grundstoffer, som er dannet i stjernens indre”, siger Professor Rob Ivison, videnskabelig direktør ved European Southern Observatory. ”Jetstråler med høj energi og stråling fra supertunge sorte huller i centrum af galakserne kunne også være medvirkende til at sprede kulstof ud af galakserne til det omgivende rum. Vi er altså blevet vidne til denne stadige diffusions- eller spredningsproces, som man kunne kalde den første miljøforurening af universet”.

Nye fysiske processer må nu bygges ind i eksisterende modeller

Forskerholdet anfører, at de nuværende, teoretiske modeller ikke er i stand til at forklare disse enorme kulstof-skyer omkring unge galakser, og det må antages, at nye fysiske processer skal bygges ind i computermodellernes kosmiske simuleringer. ”Unge galakser lader til at sprede en mængde af kulstofrig gas, som langt overgår vores tidligere forventninger”, siger Andrea Ferrara, professor ved Scuola Normale Superiore di Pisa. Seiji Fujimoto tilføjer, at kulstof ikke er det eneste grundstof, som spredes i skyerne. Andre grundstoffer som fx Oxygen og Nitrogen kunne også ses i observationerne, men signalet var noget svagere. Dette betyder imidlertid, at andre grundstoffer kunne være udsat for de samme processer som kulstof – et af de mange spørgsmål til yderligere forskning, som studiet rejser.

Holdet bag opdagelsen anvender nu ALMA og andre teleskoper i hele verden, for at forske videre i opdagelsen af galaktisk spredning af grundstoffer og kulstofrige skyer omkring galakserne.