Denna konstnärs intryck visar en galax av typen Vintergatan i det lokala universum, omgiven av en mycket större halo av blått, svagt ljus, gjord av Lyman-alfa-fotoner. Medan dessa fotoner producerades runt varma, unga stjärnor i mycket mer centrala regioner, de kämpar för att fly galaxerna, drabbas av många absorptioner och återutsläpp när de försöker fly, och skapa dessa gigantiska haloer. För typiska avlägsna galaxer, bara några få procent klarar sig överhuvudtaget. Detta är vad astronomer nu har kunnat se för liknande galaxer som fanns för 11 miljarder år sedan, i en mycket ung, aktivt universum. Detta har viktiga konsekvenser för att studera det unga universum, där dessa fotoner är anmärkningsvärt viktiga, men mäts vanligtvis över endast den centrala komponenten i varje galax. Kredit:ESO/L. Calçada
Astronomer ledda av David Sobral och Jorryt Matthee, vid universiteten i Lancaster i Storbritannien och Leiden i Nederländerna har upptäckt gigantiska glorier runt galaxer av tidiga Vintergatan, gjorda av fotoner (elementarpartiklar av ljus) som har kämpat för att undkomma dem. Teamet rapporterar sina resultat i tidskriften Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .
För att förstå hur vår egen Vintergatans galax bildades och utvecklades, astronomer är beroende av att observera avlägsna galaxer. Eftersom deras ljus tar miljarder år att nå oss, teleskop kan användas som tidsmaskiner, så länge vi har en tydlig indikator för att peka ut avståndet till objekten som observeras. Som med närmare galaxer, stjärnor och planeter, astronomer använder tekniken spektroskopi för att analysera sitt ljus, sprider det i ett spektrum.
Forskare letar sedan efter karakteristiska egenskaper (spektrala linjer) som berättar för dem om egenskaper inklusive sammansättningen, objektets temperatur och rörelse. Med de mest avlägsna galaxerna, endast en spektral egenskap sticker vanligtvis ut, den så kallade Lyman-alfa-linjen förknippad med vätgas.
Jorryt Matthee kommenterar:"Nyfödda stjärnor i mycket avlägsna galaxer är tillräckligt varma för att bryta isär väte i omgivande gasmoln, som sedan lyser starkt i Lyman-alfa-ljus, i teorin de starkaste sådana egenskaper som kan observeras i en avlägsen galax. Men i praktiken Lyman-alfa-fotoner kämpar för att fly galaxer när gas och damm blockerar och divergerar deras färdvägar, gör det till en komplex process att förstå."
Figuren visar några observationer gjorda med Isaac Newton-teleskopet i La Palma och med UKIRT-teleskopet på Hawaii av en av de (nästan 1000) unga galaxerna av Vintergatans typ i det mycket tidiga universum. Resultaten gjorde det möjligt för astronomer att mäta var, och hur många, fotoner producerades (indikeras av de röda konturlinjerna), och jämför sedan med de som faktiskt har rymt (blå konturlinjer) dessa avlägsna galaxer. Resultaten avslöjar stora haloer av Lyman-alfa-fotoner som kämpade för att fly, medan den stora majoriteten av dessa fotoner aldrig kommer fram alls. Kredit:J. Matthee/D. Sobral
Med hjälp av Isaac Newton-teleskopet (INT) på La Palma på Kanarieöarna, astronomer utvecklade ett unikt experiment för att studera nästan 1000 avlägsna galaxer. De undersökte himlen med hjälp av Wide Field Camera och skräddarsydda filter, för att mäta var Lyman-alfa produceras, hur mycket det finns, och var det kommer ut ur galaxer.
David Sobral säger:"Vi har använt dussintals dedikerade nätter på INT för att förstå hur Lyman-alfa-fotoner flyr, och från vilka galaxer. Vi tittade tillbaka i tiden 11 miljarder år, i huvudsak gränsen för var vi kan identifiera avlägsna galaxer och studera dem i detalj. Viktigast, vi kunde förutsäga exakt hur många Lyman-alfa-fotoner som effektivt producerades i varje galax och var detta hände. Sedan jämförde vi dem med de som faktiskt når INT."
Resultaten visar att endast 1-2% av dessa fotoner flyr från centrum av galaxer som Vintergatan. Även om vi står för alla fotoner på ett stort avstånd från centrum, färre än 10 % flyr.
"Galaxer som bildar stjärnor i det avlägsna universum verkar vara omgivna av en imponerande stor, svag gloria av Lyman-alfa-fotoner som var tvungen att resa i hundratusentals ljusår i en nästan oändlig serie av absorptions- och återemissionshändelser, tills de äntligen var fria. Vi måste nu förstå exakt hur och varför det händer", tillägger Sobral.
När rymdteleskopet James Webb börjar fungera 2018, astronomer förväntar sig att kunna se ännu längre tillbaka i tiden, öppnar ett nytt fönster på de första galaxerna och stjärnorna. Att studera hur flyktfraktionen utvecklas över tiden kan berätta för oss om vilken typ av stjärnor som producerar dessa fotoner, och egenskaperna hos interstellär och intergalaktisk gas.
