I årtionden, astronomer har hittat avlägsna galaxer genom att detektera det karakteristiska sättet deras gas absorberar ljus från en ljus kvasar i bakgrunden. Men försöken att observera ljuset som sänds ut av samma galaxer har oftast misslyckats. Nu, ett team av astronomer som använder Atacama Large Millimeter Array (ALMA) i Chile har observerat utsläpp från två avlägsna galaxer som ursprungligen upptäcktes av deras kvasarabsorptionssignaturer, och resultatet blev inte vad de hade förväntat sig.

För en sak, utsläpp som drevs av stjärnbildning i galaxerna separerades av ett överraskande avstånd från den täta gasen som avslöjades av kvasarabsorption, vilket indikerar att galaxerna är inbäddade i en utökad halo av vätgas. De uppskattade stjärnbildningshastigheterna var också oväntat höga.

"Vi hade förväntat oss att vi skulle se svaga utsläpp precis ovanpå kvasaren, och istället såg vi ljusa galaxer vid stora avstånd från kvasaren, " sade J. Xavier Prochaska, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz och medförfattare till en artikel om de nya rönen som publicerades 24 mars i Vetenskap .

Den neutrala vätgas som avslöjas genom dess absorption av kvasarljus är troligen en del av en stor halo eller förlängd gasskiva runt galaxen, sa första författaren Marcel Neeleman, en postdoktor vid UC Santa Cruz. "Det är inte där stjärnbildningen är, och att se så mycket gas att långt från det stjärnbildande området betyder att det finns en stor mängd neutralt väte runt galaxen, " sa Neeleman. "Vi vet inte om det är i en stor, förlängd skiva av gas som faller in, eller om det bara är en riktigt tät halo av gas runt galaxen."

Emissionsspektrumet från en av galaxerna indikerar närvaron av en roterande skiva, Prochaska noterade. "Dessa galaxer verkar vara massiva, dammig, och snabbt stjärnbildande system, med stora, utökade lager av gas, ", sa han. "Dessa observationer ger oss en fantastisk inblick i hur galaxer som vår Vintergatan såg ut för 13 miljarder år sedan."

För Prochaska, uppsatsen representerar kulmen på ett uppdrag han påbörjade 2003 med sin doktorsexamen. rådgivare vid UC San Diego, framlidne Arthur M. Wolfe (även medförfattare på tidningen). Wolfe var pionjär med användningen av kvasarspektra för att studera koncentrationer av neutral vätgas i det avlägsna universum, kända som dämpade Lyman-alpha (DLA) system på grund av de karakteristiska absorptionsegenskaperna som vätgasen trycker på ljuset från bakgrundskvasaren. Wolfe såg också potentialen för ALMA att upptäcka utsläpp från dessa system långt innan radioobservatoriet färdigställdes 2011.

"Vi har velat göra det här i 14 år, " Sa Prochaska. "Den 'heliga gralen' har varit att identifiera och studera galaxerna som är värd för vätgasen vi ser i kvasarspektra, och det krävdes en anläggning med ALMA:s förmåga att göra det."

Forskarna använde ALMA för att leta efter infraröda emissionssignaturer från galaxerna som de visste kunde särskiljas från kvasarernas starka ljus. Joniserat kol avger en ljus spektrallinje vid en karakteristisk våglängd i det infraröda (158 mikron), som astronomer kan använda som spår av galaktisk struktur i det avlägsna universum. Forskarna observerade också utsläpp från damm i fjärrinfraröd, vilket gjorde det möjligt för dem att uppskatta stjärnbildningshastigheter.

ALMA:s konfigurerbara uppsättning radioantenner gjorde det möjligt för astronomerna att fokusera sitt sökande efter galaxemissioner i området runt var och en av två DLA:er, ligger på ett avstånd av cirka 13 miljarder ljusår. Från det avståndet, ljuset som nu når teleskop ger astronomer en glimt i ett tidigt skede av galaxbildning, cirka 1 miljard år efter big bang.

"Detta är epoken när galaxer verkligen började ta fart när det gäller stjärnbildning - en sorts ungdomars tillväxtspurt innan de nådde toppen av stjärnbildningen cirka 2 miljarder år senare, " sa Prochaska.

Observationerna tyder på att båda galaxerna bildar stjärnor med måttligt höga hastigheter, med en stjärnbildningshastighet som är större än 100 solmassor per år för en galax och cirka 25 solmassor per år för den andra. Separationen från kvasaren var cirka 137, 000 ljusår (42 kiloparsecs) för en galax och cirka 59, 000 ljusår (18 kiloparsecs) för den andra.

Enligt Neeleman, astronomer har antagit att det är svårt att upptäcka ljus som sänds ut av galaxerna som är värd för DLA eftersom det är dolt i det intensiva ljuset från bakgrundskvasarerna. Med tanke på den stora separationen av dessa galaxer från deras associerade kvasarer, dock, det kan vara så att de istället skyms av damm, han sa. med ALMA, forskarna kunde upptäcka stjärnljuset som absorberats och återutstrålats vid längre våglängder av dammet.

Prochaska sa att han ser fram emot att få liknande observationer av ett mycket större urval av galaxer under de närmaste åren.