En forskargrupp ledd av Hiroshima University har avslöjat en bild av den ökande andelen av massiva stjärnbildande galaxer i det avlägsna universum. Massiva stjärnbildande galaxer i det avlägsna universum, för ungefär 5 miljarder år sedan, spåra storskalig struktur i universum. I det närliggande universum, för cirka 3 miljarder år sedan, massiva stjärnbildande galaxer syns inte. Denna förändring i hur stjärnbildande galaxer spårar ämnesfördelningen överensstämmer med bilden av galaxens evolution som fastställts av andra oberoende studier.

Galaxer i universum spårar mönster på mycket stora skalor; det finns stora tomma områden (kallade "tomrum") och täta områden där galaxerna finns. Denna distribution kallas det kosmiska nätet. De mest massiva koncentrationerna av galaxer är kluster. Bildandet av det kosmiska nätet styrs av gravitationens inverkan på den osynliga mystiska "mörka materia" som finns i hela universum. Det normala baryoniska materialet man kan se faller in i den mörka materiens halos och bildar galaxer. Tyngdkraftens verkan under universums ungefär 14 miljarder år historia gör att gloriorna samlas. Placeringen av galaxer eller kluster i denna enorma kosmiska väv testar vår förståelse av hur strukturen bildas i universum.

Alltmer, djupare och mer omfattande observationer med teleskop som Subaru Telescope ger en tydligare bild av hur galaxer utvecklas inom det kosmiska nätet. Självklart, man kan inte se den mörka materien direkt. Dock, man kan använda de galaxer som syns för att spåra den mörka materien. Det är också möjligt att använda hur gravitationen hos galaxhopar förvränger mer avlägsna bakgrundsgalaxer, svag gravitationslinsning, som ytterligare ett spårämne.

Hiroshima-gruppen kombinerade dessa två spårämnen:galaxer och deras svaga linssignal för att kartlägga den förändrade rollen för massiva stjärnbildande galaxer när universum utvecklas.

Svag linsning är ett fenomen som ger en kraftfull teknik för att kartlägga det föränderliga bidraget från stjärnbildande galaxer som spårare av det kosmiska nätet. Galaxhopen och den omgivande mörka materiens halo fungerar som en gravitationslins. Linsen böjer ljuset som passerar från mer avlägsna galaxer och förvränger bilderna av dem. Förvrängningarna av bakgrundsgalaxernas utseende ger en tvådimensionell bild av förgrundsfördelningen av mörk materia som fungerar som en enorm lins. Den utmärkta avbildningen av Subaru-teleskopet som täcker stora delar av himlen ger exakt de data som behövs för att konstruera kartor över denna svaga lins.

Dr Yousuke Utsumi, en medlem av Hyper Suprime-Cam-byggteamet och en projektassistent vid Hiroshima University, genomförde en 1-timmes observation av en 4-graders himmelsfläck i riktning mot stjärnbilden Kräftan. Figur 1 visar en närbild av ett kluster av galaxer med kartan med svag lins som spårar ämnesfördelningen. De högsta topparna på kartorna motsvarar de massiva galaxhoparna i förgrunden som ligger 5 miljarder ljusår bort.

För att kartlägga den tredimensionella fördelningen av förgrundsgalaxerna, spektrografer på stora teleskop som 6,5-meters MMT sprider ljuset med ett galler. Universums expansion förskjuter ljuset till det röda och genom att mäta denna förskjutning mäter man avstånden till galaxerna. Med hjälp av spektroskopi placeras galaxerna i det kosmiska nätet. Observationerna lokaliserar stjärnbildande galaxer och de som inte längre bildar stjärnor.

Samarbetspartners ledda av Dr Margaret Geller (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) genomförde spektroskopiska mätningar för galaxer. Hectospec-instrumentet på MMT möjliggör mätningar av rödförskjutningar för 250 galaxer åt gången. Undersökningen innehåller mätningar för 12, 000 galaxer.

MMT -rödskiftningsundersökningen ger kartan för hur alla typer av galaxer kan bidra till den svaga linsen. Eftersom MMT-undersökningen ger avstånd till galaxerna, skivor av kartan på olika avstånd som motsvarar olika epoker i universums historia kan också göras och jämföras med linseringskartan.

MMT-undersökningen ger en förutspådd karta över det kosmiska nätet baserat på positionerna för galaxer i tredimensionellt rymden. Forskargruppen jämförde den här kartan med kartan med svag lins för att upptäcka likheterna. Figur 2 visar att både den högsta toppen och de största tomma områdena är lika i de två kartorna. Med andra ord, ämnesfördelningen som spåras av förgrundsgalaxerna och fördelningen som spåras av Subarus svaga linskarta är likartade. Det finns två kompletterande synpunkter på den kosmiska banan i denna patch av universum.

Om de delar upp den tredimensionella kartan i olika rödförskjutningar eller tidsskivor, de kan undersöka hur korrespondensen mellan dessa kartor och den svaga objektivkartan förändras för olika segment (Figur 3). Anmärkningsvärt, fördelningen av stjärnbildande galaxer runt ett galaxkluster i det mer avlägsna universum (för 5 miljarder år sedan) överensstämmer mycket närmare med den svaga linsekartan än en bit av det mer närliggande universum (för 3 miljarder år sedan). Med andra ord, bidraget från stjärnbildande galaxer till det kosmiska nätet är mer framträdande i det avlägsna universum. Dessa kartor är den första demonstrationen av denna effekt i den svaga linssignalen (Figur 4).

Forskargruppen ger ett nytt fönster på galaxutvecklingen genom att jämföra den tredimensionella galaxfördelningen som kartlagts med en rödförskjutningsundersökning inklusive stjärnbildande galaxer med en svag linskarta baserad på Subaru-avbildning.

"Det visar sig att bidraget från stjärnbildande galaxer som spårare av massfördelningen i det avlägsna universum inte är försumbart, "sa Dr Utsumi." HSC:s svaga linseringskarta bör innehålla signaler från mer avlägsna galaxer i det 8 miljarder år gamla universum. Djupare rödförskjutningsundersökningar i kombination med liknande kartor med svag lins skulle avslöja ett ännu större bidrag från stjärnbildande galaxer som spårare av ämnesfördelningen i detta högre rödförskjutningsintervall. Genom att använda nästa generations spektrograf för Subaru-teleskopet, Prime Focus Spectrograph (PFS), Vi hoppas kunna utvidga våra kartor till den intressanta eran. "