Astronomer vid MIT och på andra håll har använt ett massivt kluster av galaxer som ett röntgenförstoringsglas för att titta tillbaka i tiden, till nästan 9,4 miljarder år sedan. I processen, de såg en liten dvärggalax i sin allra första, högenergistadier av stjärnbildning.

Medan galaxhopar har använts för att förstora objekt vid optiska våglängder, detta är första gången forskare har utnyttjat dessa enorma gravitationsjättar för att zooma in på extrema, avlägsen, X-ray-emitting fenomen.

Det de upptäckte verkar vara en blå fläck av en spädbarnsgalax, ca 1/10, 000 storleken på vår Vintergatan, mitt i att kärna fram sina första stjärnor - supermassiva, kosmiskt kortlivade föremål som avger högenergiröntgenstrålar, som forskarna upptäckte i form av en ljusblå båge.

"Det är denna lilla blåa kladd, vilket betyder att det är en mycket liten galax som innehåller mycket superhett, mycket massiva unga stjärnor som bildades nyligen, " säger Matthew Bayliss, en forskare vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Denna galax liknar de allra första galaxerna som bildades i universum ... den sorten som ingen någonsin har sett i röntgenstrålning i det avlägsna universum tidigare."

Bayliss säger att upptäckten av denna singel, avlägsen galax är ett bevis på att forskare kan använda galaxhopar som naturliga röntgenförstorare, att välja ut extrema, mycket energiska fenomen i universums tidiga historia.

"Med denna teknik, vi kunde, i framtiden, zooma in på en avlägsen galax och åldersdatera olika delar av den – för att säga, denna del har stjärnor som bildades för 200 miljoner år sedan, mot en annan del som bildades för 50 miljoner år sedan, och plocka isär dem på ett sätt som du inte annars kan göra, säger Bayliss, som kommer att gå vidare till University of Cincinnati som biträdande professor i fysik.

Han och hans medförfattare, inklusive Michael McDonald, biträdande professor i fysik vid MIT, har publicerat sina resultat i tidskriften Natur astronomi .

Ett ljus i ljuset

Galaxkluster är de mest massiva objekten i universum, består av tusentals galaxer, alla sammanbundna av gravitationen som en enorm, stor kraft. Galaxkluster är så massiva, och deras gravitationskraft är så stark, att de kan förvränga rum-tidens struktur, böjer universum och allt omgivande ljus, ungefär som en elefant skulle sträcka och förvränga ett trapetsnät.

Forskare har använt galaxhopar som kosmiska förstoringsglas, med en teknik som kallas gravitationslinsning. Tanken är att om forskare kan uppskatta massan av en galaxhop, de kan uppskatta dess gravitationseffekter på allt omgivande ljus, samt vinkeln med vilken ett kluster kan avleda det ljuset.

Till exempel, tänk om en observatör, vänd mot en galaxhop, försökte upptäcka ett föremål, som en enda galax, bakom det klustret. Ljuset som sänds ut av det objektet skulle färdas rakt mot klustret, böja sedan runt klustret. Den skulle fortsätta färdas mot observatören, fast i lite olika vinklar, framstår för betraktaren som spegelbilder av samma föremål, som i slutändan kan kombineras som en enda, "förstorad" bild.

Forskare har använt galaxhopar för att förstora objekt vid optiska våglängder, men aldrig i det elektromagnetiska spektrumets röntgenband, främst för att galaxhopar själva sänder ut en enorm mängd röntgenstrålar. Forskare har trott att alla röntgenstrålar som kommer från en bakgrundskälla skulle vara omöjliga att urskilja från klustrets egna bländning.

"Om du försöker se en röntgenkälla bakom ett kluster, det är som att försöka se ett ljus bredvid ett riktigt starkt ljus, Bayliss säger. "Så vi visste att det här var en utmanande mätning att göra."

Röntgensubtraktion

Forskarna undrade:Kunde de subtrahera det starka ljuset och se ljuset bakom det? Med andra ord, kunde de ta bort röntgenstrålningen från galaxhopen, för att se de mycket svagare röntgenstrålarna som kommer från ett föremål, bakom och förstorad av klungan?

Teamet testade denna idé med observationer tagna av NASA:s Chandra X-ray Observatory, ett av världens mest kraftfulla röntgenrymdteleskop. De tittade särskilt på Chandras mätningar av Phoenix-klustret, en avlägsen galaxhop som ligger 5,7 miljarder ljusår från jorden, som har uppskattats vara ungefär en kvadriljon gånger så massiv som solen, med gravitationseffekter som borde göra den till en kraftfull, naturlig förstoringslins.

"Tanken är att ta vad ditt bästa röntgenteleskop är - i det här fallet, Chandra – och använd en naturlig lins för att förstora och effektivt göra Chandra större, så att du kan se mer avlägsna saker, " säger Bayliss.

Han och hans kollegor analyserade observationer av Phoenix-klustret, tagits kontinuerligt av Chandra i över en månad. De tittade också på bilder av klustret tagna av två optiska och infraröda teleskop - Hubble Space Telescope och Magellan-teleskopet i Chile. Med alla dessa olika åsikter, teamet utvecklade en modell för att karakterisera klustrets optiska effekter, vilket gjorde det möjligt för forskarna att exakt mäta röntgenstrålningen från själva klustret, och subtrahera det från data.

De lämnades med två liknande mönster av röntgenstrålning runt klustret, som de fastställde var "linsade, "eller gravitationsböjd, av klustret. När de spårade utsläppen bakåt i tiden, de fann att de alla härstammade från en enda, avlägsen källa:en liten dvärggalax från 9,4 miljarder år sedan, när universum självt var ungefär 4,4 miljarder år gammalt – ungefär en tredjedel av sin nuvarande ålder.

"Tidigare, Chandra hade bara sett en handfull saker på detta avstånd, " säger Bayliss. "På mindre än 10 procent av tiden, vi upptäckte detta föremål, lika långt borta. Och gravitationslinser är vad som låter oss göra det."

Kombinationen av Chandra och Phoenix-klustrets naturliga linskraft gjorde det möjligt för teamet att se den lilla galaxen som gömmer sig bakom klustret, förstorad cirka 60 gånger. Vid denna resolution, de kunde zooma in för att urskilja två distinkta klumpar i galaxen, den ena producerar många fler röntgenstrålar än den andra.

Eftersom röntgenstrålar vanligtvis produceras under extrema, kortlivade fenomen, forskarna tror att den första röntgenrika klumpen signalerar en del av dvärggalaxen som helt nyligen har bildat supermassiva stjärnor, medan den tystare regionen är en äldre region som innehåller mer mogna stjärnor.

"Vi fångar den här galaxen i ett mycket användbart skede, var det har dessa riktigt unga stjärnor, " säger Bayliss. "Varje galax var tvungen att börja i den här fasen, men vi ser inte många av dessa typer av galaxer i vårt eget grannskap. Nu kan vi gå tillbaka i tiden, titta i det avlägsna universum, hitta galaxer i denna tidiga fas av sitt liv, och börja studera hur stjärnbildningen är annorlunda där."