Galakser ved Cosmic Dawn

Siden Rumteleskopet James Webb begyndte at frigive sine videnskabelige observationer i sidste måned, har vi med jævne mellemrum set rapporter om fjernere og fjernere galakser. Umiddelbart ser det ud til, at galaksernes størrelse og antal udfordrer vores forståelse af, hvordan galakser dannes, selvom der er mange forbehold og alternative forklaringer. Står vi over for et kosmologisk paradigmeskift, fejlfortolker vi vores data, eller kan der være mere banale årsager? Astronomer ved Cosmic Dawn Center i København arbejder intenst på at løse dette mysterium.

jwst-hiz-galaxies

James Webb foran galaksehoben SMACS 0723, det første billede, der blev afsløret fra teleskopet. Kredit: NASA, ESA, CSA, STScI.

Dette er en mere dybdegående artikel end vores andre nyheder, og giver et meget aktuelt indblik i, hvordan astronomi foregår.

For et væsentligt kortere overblik over de spændende resultater, der beskrives, kan du læse nyhedshistorien James Webb udfordrer det kosmiske daggry.

Indhold
    Add a header to begin generating the table of contents

    Efter et halvt år med afkøling, kalibrering og opstart af sine instrumenter er rumteleskopet James Webb endelig klar til at bedrive noget rigtig videnskab. Fra 14. juli i år er flere smukke og fascinerende observationer af galakser blevet afsløret, og lige siden ser det nærmest ud til, at Webb bliver ved med at slå sin rekord for den fjerneste galakse.

    Fordi den fjerneste galakse også er den, der ses længst tilbage i tiden, er disse observationer ikke kun et spørgsmål om at slå en rekord, men giver os vigtig information om tidsrammerne for dannelse af al struktur i Universet. Den hidtil fjernest kendte galakse, kaldet "GN-z11", ser vi på et tidspunkt, hvor universet kun var 400 millioner år gammelt, men nu ser vi rapporter om galakser set 300 og endda 200 millioner år efter Big Bang.

    Observationer udfordrer teorier

    Det er selvfølgelig fantastisk! Men også lidt bekymrende. Selvom vi ikke før har set noget så langt væk, har vi en god teoretisk forståelse af, hvornår de første stjerner og galakser burde dukke op.

    Eller det troede vi i hvert fald…

    Ifølge den accepterede model for Universets struktur og udvikling — den såkaldte ΛCDM-model (som står for "Lambda koldt mørkt stof") — blev galakser bygget op i en form for hierarki.

    De første strukturer, der blev dannes, burde være "små" klumper, som vejede omtrent det samme som en million sole eller mindre. Efterfølgende skulle disse klumper smelte sammen og danne først dværggalakser og senere større galakser med milliarder eller billioner af stjerner, som igen smelter sammen og danner galaksegrupper og, til sidst, de enorme galaksehobe.

    Ikke desto mindre synes de nylige rapporter ikke kun at hævde for mange, men også for lysstærke og dermed for store galakser ift. Universets unge alder.

    Galakserne burde simpelthen ikke have haft tid til at opbygge den mængde masse.

    “Bemærkelsesværdigt lysstærke galakser”

    Den første rapport kom mindre end en uge efter datafrigivelsen, da Rohan Naidu, nyuddannet PhD fra Harvard og snarlig NASA Hubble-fellow ved MIT, annoncerede opdagelsen af to bemærkelsesværdigt lysstærke galakser, hvoraf den fjerneste ses 330  millioner år efter Big Bang.

    To af Naidus medforfattere, Pascal Oesch og Gabriel Brammer, var faktisk dem der opdagede GN-z11, den nuværende rekordholder. De er begge lektorer ved Cosmic Dawn Center (DAWN) i København, et forskningscenter dedikeret til at afdække de første galakser deres hemmeligheder.

    glass-z11

    Galaksen GLASS-z11, set gennem et filter som kun transmitterer infrarødt lys med bølgelængden 3½ mikrometer. Mørkere farve betyder mere lys. Kredit: Rohan Naidu & Pascal Oesch.

    "Ud fra vores nuværende forståelse af tidsrammerne for galaksedannelse er dette ret ejendommeligt," siger Gabriel Brammer. "Vi forventer ikke, at så tunge galakser ville dukke op i disse epoker, medmindre vi havde undersøgt et område, der er mindst 10 gange større."

    Pascal Oesch uddyber: "Galakserne giver os ret stramme afgrænsninger for den epoke i Universets historie, der er kendt som "Cosmic Dawn", hvor de første lyskilder i Universet dukkede op. Hvis de bliver bekræftet, fortæller det os, at opdagelsen af GN-z11 ikke var rent held, men at veludviklede galakser som dem her var mere almindelige i det tidlige Univers, end vi troede var muligt."

    Selvom de ikke ligefrem er fysisk umulige, er så store galakser, så tidligt i Universets historie, så sjældent at det burde være højst usandsynligt at finde dem.

    "Du kan sammenligne populationen af galakser med bestanden af dyr i havet — der er meget plankton, færre fisk og meget få blåhvaler. At finde en blåhval er ikke i sig selv umuligt, men at tage en tilfældig spand vand og at finde en blåhval er ret bemærkelsesværdigt," udtrykker Gabriel Brammer det.

    Naidu og hans team døbte de to galakser GLASS-z11 og GLASS-z13 og indsendte deres studie til det videnskabelige tidsskrift Astrophysical Journal Letters. Men — som det er normalt inden for astronomi og andre videnskabelige områder — uploadede de det også til preprint-serveren arXiv.org.

    Bag spejlet

    Oprindelsen til de to galaksers navne kommer fra observationsprogrammet bag billederne, kaldet GLASS; en forkortelse for "Grism Lens-Amplified Survey from Space". Ordet "Lens" — dvs. linse — refererer til, at teleskopet bevidst blev rettet mod en tung galaksehob, hvis tyngdefelt får hoben til at fungere som en kosmisk linse, der forstærker lyset fra fjerne baggrundsgalakser.

    GLASS-programmet er nøje planlagt gennem mange år af et "konkurrerende" hold astronomer. Men som med de fleste data fra James Webb — og i astronomi generelt — er dataene offentligt tilgængelige for alle, der ønsker at studere dem. Desuden er konkurrence i astro-samfundet for det meste ret venligt, og holdet inkluderer endda forskere fra DAWN.

    Bogstaveligt talt to minutter efter, at Naidu og hans team uploadede deres resultater til arXiv preprint-serveren, uploadede GLASS-teamet en anden artikel. Udover at finde de samme to lysstærke galakser, rapporterede dette studie opdagelsen af fem svagere galakser, set i en afstand svarende til 270 millioner år efter Big Bang.

    I de efterfølgende uger dukkede flere rapporter om afstandsrekorder op, som antydede galakser set så langt tilbage som 180 millioner år efter Big Bang.

    Cosmic Dawn

    Begrebet "cosmic dawn", eller kosmisk daggry, bruges om den epoke i Universets historie, hvor de første lyskilder — stjerner og galakser — begyndte at lyse Universet op.

    Cosmic Dawn Center (DAWN) er et grundforskningscenter i astronomi, støttet af Danmarks Grundforskningsfond. Centeret er et samarbejde mellem Niels Bohr Institutet og DTU Space, og forsker især i de tidligste galakser.

    Galaktiske drop-outs

     Selvfølgelig er astronomer, astro-entusiaster, og pressen helt oppe at køre over de her opdagelser. Alligevel er der en længere række vigtige forbehold at have i tankerne:

    For det første skal man huske på, at ingen af disse rapporter er fagfællebedømt endnu. Netop nu sidder eksperter i galaksedannelse og det tidlige Univers' fysik og gennemtrevler omhyggeligt artiklerne for eventuelle fejl og mangler.

    For det andet er det vigtigt at forstå, at alle disse galakser indtil videre kun er "kandidater"; billeder som ser ud til at antyde fjerne galakser.

    For at forstå hvorfor, er vi nødt til lige at blive lidt tekniske:

    Når lys rejser gennem Universet, som udvider sig, bliver dets bølgelængde strukket, eller rødforskudt. Jo længere væk en galakse er, jo rødere ser den ud. De fjerneste er "rødere end røde", og kan kun ses som infrarøde.

    Heldigvis er dét præcis hvad James Webb kan.

    For at måle en præcis rødforskydning, og dermed afstand, har vi brug for et spektrum; en graf over fordelingen af lysets bølgelængder. Men spektrer tager lang tid at optage, og vi er nødt til at vide, hvorhen vi skal kigge.

    I stedet kan vi måle en omtrentlig farve ved at tage billeder med forskellige farvefiltre, og på den måde få en ide om en galakses afstand. Denne metode kaldes "drop-out-teknikken" (se infoboks nedenfor), men for at bekræfte galaksernes natur, er vi nødt til at følge observationerne op spektroskopisk.

    Mere om drop-out-teknikken

    (den her kan godt springes over)

    Vi har i astronomi essentielt to måder at observere lys på: Vi kan tage et billede, ligesom med et almindeligt kamera, eller vi kan tage et spektrum, hvor lyset bliver spredt ud efter dets bølgelængde. Selvom det nok ikke er så smukt som billeder, er spektrer en uvurderlig kilde til information om astronomiske objekter, og afslører deres sammensætning, temperatur, bevægelse og meget mere.

    En kløft i lyset

    Galakser udsender lys henover hele det elektromagnetiske spektrum af lys. Men det kortbølgede ultraviolette lys (UV) har en tendens til at blive absorberet af gas, som indhyller galaksen (det kan du give kvantemekanikken skylden for), særligt i det unge Univers.

    Denne fysiske proces skaber en "kløft" i lysspektret. Under en vis bølgelængde falder intensiteten brat til nul.

    Filtrering af lyset

    Hvis vi tager en serie billeder af en nær galakse med forskellige farvefiltre, vil galaksen simpelthen være usynlig i UV-filtret — vi siger, at galaksen er "droppet ud" af UV-filtret. Men hvis vi kigger på fjerne galakser, hvis lys er blevet strukket til længere og længere bølgelængder, vil de også droppe ud af længere-bølgelængde-filtre.

    Figuren nedenfor illustrerer denne effekt: En nær galakse til venstre er synlig i det røde, grønne og blå filter, men usynlig i UV-filtret. En fjernere galakse til højre er kun synlig i det røde filter. Nogle hverdagsobjekter er vist til sammenligning.

    dropout-technique

    Illustration og billede af galaksen NGC 6744: Peter Laursen.

    Jo længere væk galakser er, jo mere er deres lys rødforskudt, og derfor vil de droppe ud af gradvist rødere filtre. De som rapporteres fra James Webb er endda droppet ud af de nær-infrarøde filtre, og er kun synlige i de midt-infrarøde, hvilket indikerer (men ikke beviser) en stor afstand.

    Fordi et billede kan indeholde tusinder af galakser, giver denne teknik en hurtig måde til at få et groft mål for rødforskydningen og dermed afstanden af mange galakser på én gang.

    Støv, strækning eller strangulering?

    En af grundene til at drop-out-teknikken er usikker er, at den lange strækning til galaksen ikke er den eneste mulig årsag, at den er rødlig. Når stjerner dør, producerer de tunge grundstoffer, som kan forene sig til støvkorn. Støvet absorberer noget af lyset, men det er sådan at det fortrinsvis absorberer det kortbølgede blå og ultraviolette lys, og slipper det mere langbølgede røde og infrarøde lys igennem.

    En anden mulighed er, at galaksen kan være stoppet med at danne nye stjerner. Mens nogle galakser danner stjerner hele tiden, bliver den fortsatte stjernedannelse i andre galakser af forskellige årsager "stranguleret". De første stjerner, som uddør, viser sig at være de blå, mens de røde stjerner lever meget længere, hvilket giver disse "døde" galakser en orange/rødlig nuance.

    Derfor er nogle af de rapporterede galakser formodentlig langt tættere på os, men meget støvede og/eller er stoppet med at danne stjerner. Dette er en velkendt kilde til forvirring, og blev da også påpeget bl.a. i en opfølgende artikel af Rohan Naidus team, som viste at en af de fjerneste galakser, døbt CEERS-1749, som angiveligt ses da Universet var 220 millioner år, også kunne være en støvet eller kvalt galakse.

    "Hvis afstanden til CEERS-1749 bliver bekræftet, udfordrer det virkelig stort set alle modeller for tidlig galakseudvikling som bygger på ΛCDM", forklarer Gabriel Brammer. "Men vores analyse viser, at det også kan være en nærere galakser, set da Universet var mere end en milliard år gammelt."

    Pascal Oesch fortsætter: "Men det gør det ikke mindre interessant! Det ville enten gøre CEERS-1749 til den tidligste udslukkede galakse vi nogensinde har set, eller til en af de mindste og letteste støvede galakser."

     

    Tidslinje over Universets udvikling, hvor tiden går fra venstre mod højre, som viser den tid hvor vi ser de fire galakser diskuteret i denne artikel. For at fremhæve ting der sker i det tidlige Univers, er tiden "strukket" tæt på Big Bang (yderst til venstre), og "klemt sammen" tæt på i dag (yderst til højre). Som vi kigger længere og længere tilbage i tiden, ser vi mindre og mindre udviklede galakser. Illustration: Peter Laursen (baggrundsbillede: ESO/NOAJ).

    Et kosmisk lykketræf?

    Galakser ligger ikke jævnt fordelt ud gennem rummet — i stedet danner de et "kosmisk spindelvæv" af filamenter, adskilt af enorme tomrum. Hvor filamenterne mødes, er der hvor de gigantiske galaksehobe opstår.

    De nuværende James Webb-billeder dækker kun ganske små områder på himlen. Selvom chancen er lille, kunne vi i princippet have været "heldige" og tilfældigvis peget teleskopet i nogle få gunstige retninger med overtætheder af galakser. En blåhval i en spand vand, så at sige.

    Hvis dét er tilfældet, så burde vi snart blive klogere: Hvor nogle programmer sigter mod at kigge dybt ind i små udsnit af himlen, vil andre programmer undersøge meget større områder, omend mere overfladisk.

    Ét af disse programmer er COSMOS-Web, som vil studere et område på himlen svarende til en ært holdt ud i strakt arm. Til sammenligning er områderne der hidtil er studeret bittesmå; svarende til et sandkorn i strakt arm.

    COSMOS-området er allerede blevet grundigt undersøgt med indtil flere rum- og jord-baserede teleskoper. Georgios Magdis er lektor på DAWN og deltager i COSMOS-Web. Han glæder sig til at begynde programmet, men er nødt til at vente lidt: Fordi Webb altid skal være afskærmet fra Solens varme, kan det på ethvert givet tidspunkt kun kigge væk fra det. I skrivende stund er COSMOS-feltet tilfældigvis lige ved siden af Solen, men 25. december — tilfældigvis på 1-årsdagen for affyringen af James Webb — vil COSMOS-Web-observationerne begynde.

    Ikke desto mindre vil det være ventetiden værd:

    "COSMOS-Web er designet til at give os et robust, statistisk overblik over de tidlige galaksers egenskaber, og vil observere ti gange flere galakser end alle andre James Webb- og Hubble-programmer tilsammen," forklarer Georgios Magdis. "Kombineret med resultater fra andre ‘wide field’-programmer som f.eks. CEERS, vil vi om et halvt år have en meget bedre forståelse af, hvad der foregår."

    Eksplosiv stjernedannelse

    De fleste ting i Universet er fordelt sådan, at der er mange af de små, og få af de store. Dette gælder ikke kun for stjerner og galakser, men også for byer, søer og rigdomme. For stjerner og galakser har vi studeret disse fordelinger grundigt i det lokale Univers, men i det meget fjerne Universe har vi indtil videre været nødt til at forlade os på ekstrapolationer fra det nære Univers, og vores forståelse af fundamental fysik.

    De teoretiske grundlag for strukturdannelse blev lagt for omkring 50 år siden, og er siden blevet forbedret især vha. computermodeller. I en ny teoretisk udvidelse af teorien giver Charlotte Mason, lektor ved DAWN, en forklaring:

    "Selvom vi har en ide om galaksernes gennemsnitlige størrelse og lysstyrke, følger stjernedannelse ikke altid dette gennemsnit," forklarer Mason. "Særligt i unge galakser dannes stjerner ofte i intense udbrud, hvilket i korte perioder kan gøre en galakse ekstremt lysstærk."

    Fordi støv laves af stjerner, er disse unge galakser desuden stort set støvfri. Med mindre støv til at absorbere lyset, synes de klarere end hvad man ville udlede fra mere nærliggende galakser.

    Ved at tage højde for en mere vilkårlig stjernedannelse, hvor stjerner somme tider dannes langsomt og andre gange hurtigt, samt et mere støvfrit miljø, tyder Masons beregninger på, at det vi ser er "toppen af isbjerget"; ekstremt stærkt stjernedannende galakser, som næppe er repræsentative for den samlede population af galakser. Hvis dét er sandt, bør fremtidige og dybere observationer med James Webb afsløre en mere typisk population.

    Fysikken er ikke (nødvendigvis) ødelagt

    Stjerner er lavet af gas, men galakser er overraskende dårlige til at danne stjerner. Hvis nu tidlige galakser var bedre til at lave stjerner, end dem vi kender fra det lokale Univers, behøver de ikke være så store for at se så klare ud.

    Men selv hvis antager at de var 100% effektive og at tidlige galakser lavede alt deres gas om til stjerner — hvilket ville betyde at de var mere end 10 gange så effektive som lokale galakser — ser flere af de rapporterede galakser ud til at trodse fysikken.

    Figuren nedenfor placerer de føromtalte galakser — de nuværende rekordholder GN-z11, og dens udfordrere GLASS-z11, GLASS-z13 og CEERS-1749 — i et diagram som viser både hvor meget deres stjerner vejer (med værdier på venstre akse), og Universets alder hvor vi ser dem (med værdier på den nederste akse). Den blå linje deler diagrammet mellem hvad der er sandsynligt og hvad der er usandsynligt indenfor vores nuværende model af Universet, ΛCDM-modellen.

    mstar-vs-age-dan

    Illustration af de rapporterede galaksers masser, og Universets alder. Jo længere oppe en galakse ligger, jo tungere er den, og jo længere mod højre den ligger, jo tidligere ser vi den (krydsene illustrerer vores usikkerhed om, præcis hvor den ligger). Indenfor den bredt accepterede forståelse af Universet — den såkaldte ΛCDM-model — "burde" galakser ikke kunne ligge i det røde område, fordi de har vokset sig for store på for kort tid. Kredit: Rohan Naidu, Pascal Oesch & Peter Laursen.

    Alle galakserne ligger tæt på eller endda inde i "det forbudte område". Og her har vi endda antaget at de er 100% effektive til at danne stjerner; hvis vi i stedet havde antaget en mere typisk effektivitet, ville de alle ligge over den blå linje. Andre nyligt rapporterede galakser ville også ligge over grænsen.

    Så er opdagelser forkerte? Er galakserne fjerne, eller er de støvede eller strangulerede? Har vi kigget i en heldig retning? Er ΛCDM ødelagt?

    I en af de seneste artikler på arXiv foreslår Charles Steinhardt, lektor ved DAWN, og hans kolleger endnu en mulig forklaring.

    "Desuagtet sin succes er ΛCDM-modellen trods alt kun en model, som udtrykker vores uvidenhed om, især, mørk energi og mørkt stof. Der er forskellige måder at ‘fikse’ ΛCDM, hvoraf de fleste omfatter at skrue på det mørke stofs forventede egenskaber," beskriver Charles Steinhardt. "Du kan endda hævde, at ΛCDM ikke er en ‘rigtig’ model, men bare en ‘pladsholder’ for en model."

    Ethan Garcia som er besøgende sommerstuderende på DAWN fra Caltech, Californien, og medforfatter på artiklen, forklarer: "De modeller vi bruger til at beregne galakserne egenskaber, inklusiv deres afstand, er bygget på vores viden om galakser, som ligger meget tættere på. Vi ved, at de fysiske forhold i det tidlige Univers var væsensforskellige fra i dag, og det det gør kæmpe forskel i de egenskaber vi beregner, hvis vi ændrer på de forhold."

    Én af de ting der var anderledes er, at Universet og dets gas var varmere i fortiden. Dét har indvirkning på, hvor tunge stjerner skabes. Albert Sneppen, specialestuderende ved DAWN og medforfatter på artiklen, viste for nylig hvad der sker, hvis man medregner den effekt.

    "Hvis vi tager højde for den anderledes gastemperatur i det tidlige Univers, udregnes galakserne til at være meget mindre, og vejer nok mindst ti gange mindre," forklarer Albert Sneppen.

    Hvis galakserne vejer ti gange mindre, betyder det at de i diagrammet ovenfor bliver trukket et godt stykke ned, svarende til den lyserøde pil. Nu kommer de så pludselig ind i det grønne tilladte område og "redder" ΛCDM.

    Er vi blevet klogere?

    Så hvad er konklusionen? Nok mest "Tøv en kende!", ser det ud til. Selvom vi absolut i øjeblikket er vidne til en eksplosion af ny indsigt i galaksernes fysik, er der mange omstændigheder at overveje, før vi dristigt erklærer, at vi er på vej ind i et nyt paradigme.

    I det astronomiske samfund går en joke på, at mange artikler afslutter lidt fesent med af hævde, at "Der er brug for mere data." Men det er faktisk tilfældet for James Webb. Heldigvis kommer der snart mere data, og forskere ved Cosmic Dawn Center og i resten af verden fortsætter deres undersøgelser i de kommende måneder og år.

    Mere information

     

    Tags: ,