Fördelningen av galaxer i proto-superklusterregionen för 11,5 miljarder år sedan (överst till vänster), och Subaru Telescope Suprime-Cam-bilden som används i detta arbete (höger, större bild). Neutral vätgasfördelning överlagras på Subaru-bilden. Den röda färgen indikerar tätare områden av den neutrala vätgasen. Cyanrutor motsvarar medlemsgalaxer i proto-superklustret, medan objekt utan cyan fyrkanter är förgrundsgalaxer och stjärnor. Fördelningen av neutral vätgas överensstämmer inte perfekt med galaxerna. Kredit:Osaka Sangyo University / NAOJ
Ett team ledd av forskare från Osaka Sangyo University, med medlemmar från Tohoku University, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) och andra, har använt Suprime-Cam på Subaru-teleskopet för att skapa den mest omfattande kartan över neutral vätgas i det tidiga universum. Detta moln verkar utbrett över 160 miljoner ljusår i och runt en struktur som kallas proto-superkluster. Det är den största strukturen i det avlägsna universum, och fanns för cirka 11,5 miljarder år sedan. Ett sådant enormt gasmoln är extremt värdefullt för att studera storskalig strukturbildning och utvecklingen av galaxer från gas i det tidiga universum, och förtjänar ytterligare utredning.
"Vi är förvånade eftersom den täta gasstrukturen utökas mycket mer än förväntat i proto-superklustret, ", sa Dr. Mawatari. "Bredare fältobservationer med smalbandsfilter behövs för att få en fullständig bild av denna största struktur i det unga universum. Detta är exakt den typen av stark forskning som kan göras med Hyper Suprime-Cam (HSC) som nyligen monterats vid Subaru-teleskopet. Vi har för avsikt att studera gas-galax-relationen i olika proto-superkluster med hjälp av HSC."
Förstå materiens distribution i universum
Stjärnor samlade för att bilda galaxer, och galaxer är klustrade för att bilda större strukturer som kluster eller superkluster. Materia i det nuvarande universum är strukturerat på ett hierarkiskt sätt på skalor av ~ 100 miljoner ljusår. Dock, vi kan inte observera inhomogen struktur i någon riktning eller avstånd över skalor större än så. En viktig fråga inom modern astronomi är att klargöra hur perfekt den storskaliga enhetligheten och homogeniteten i materiefördelningen upprätthålls. Dessutom, astronomer försöker undersöka egenskaperna hos fröna till storskaliga strukturer (dvs. de initiala materiefluktuationerna) som fanns i början av universum. Således, det är viktigt att observera enorma strukturer vid olika epoker (vilket översätts till avstånd). Studiet av gasformig materia såväl som galaxer behövs för en korrekt och heltäckande förståelse. Detta beror på att lokala superkluster är kända för att vara rika på gas. Vidare, det är tydligt att det finns många nyfödda galaxer i forntida (eller avlägsna) kluster. En detaljerad jämförelse mellan de rumsliga fördelningarna av galaxer och gas under universums tidiga epoker är mycket viktig för att förstå processen för galaxbildning från de svaga (svagt ljusemitterande) gasklumparna i det tidiga universum.
Schematiska bilder av ett analysschema av tidigare arbete (vänster) och en ny metod (höger). I det tidigare tillvägagångssättet, i princip en enda ljuskälla i bakgrunden (kvasar) kan användas i ett sökt område. Å andra sidan, med det nya systemet, det är lättare att rumsligt lösa den neutrala vätgastätheten genom att använda många normala galaxer i ett sökt område som bakgrundsljuskällor. I det nya systemet, absorptionsstyrkan av den neutrala vätgasen uppskattas genom att mäta hur mycket flöde av bakgrundsgalaxerna som blir nedtonade i den smalbandiga bilden, inte genom att använda spektrum. Genom att kombinera detta schema med Subaru-teleskopets bredare avbildningsförmåga, Mawatari, et al. gjort den mest omfattande kartan över neutral vätgas som någonsin skapats. Kredit:Kredit:Osaka Sangyo University / NAOJ
För att undersöka tidigt, dunkla gasmoln, astronomer drar fördel av det faktum att ljus från ljusa avlägsna föremål dämpas av förgrundsgas (ger en effekt som en "skuggbild"). Eftersom neutralt väte i gasmolnet absorberar och dämpar ljus från bakgrundsobjekt vid en viss våglängd, vi kan se karakteristiska absorptionsegenskaper i bakgrundsobjektets spektrum. I många tidigare observationer, forskare använde kvasarer (som är mycket ljusa och avlägsna) som bakgrundsljuskällor. Eftersom ljusa kvasarer är mycket sällsynta, möjligheterna till sådana observationer är begränsade. Detta gör att astronomer kan få information om gasen som bara ligger längs siktlinjen mellan en enda QSO och jorden i ett brett undersökningsområde. Det har länge varit målet att få "flerdimensionell" information om gas (t.ex. lösa gasmolnen) snarare än den "endimensionella" vyn som för närvarande är tillgänglig. Detta kräver ett nytt tillvägagångssätt.
Utöka vyn
För att vidga deras syn på dessa objekt i det tidiga universum, Dr. Ken Mawatari vid Osaka Sangyo University och hans kollegor utvecklade nyligen ett schema för att analysera den rumsliga fördelningen av den neutrala vätgasen med hjälp av bilddata från galaxer från den avlägsna epoken. Det finns två stora fördelar med detta tillvägagångssätt. Först, istället för sällsynta kvasarer, teamet använder många normala galaxer som bakgrundsljuskällor för att undersöka gasdistribution på olika platser i sökområdet. Andra, de använder bilddata tagna med smalbandsfiltret på Suprime-cam. Den är finjusterad så att ljus med vissa våglängder kan sändas, för att fånga bevis på absorption av den neutrala vätgasen (skuggbildseffekten). Jämfört med det traditionella observationsschemat baserat på spektroskopi av kvasarer, den här nya metoden gör det möjligt för Mawatari och hans medarbetare att relativt snabbt få information om gasdistribution över hela området.
Forskarna tillämpade sitt schema på Subaru Telescope Suprime-Cam-bilddata som tagits i deras tidigare stora undersökning av galaxer. De områden som undersöks i detta arbete inkluderar SSA22-fältet, en förfader till en superkluster av galaxer (proto-superkluster), där unga galaxer bildas aktivt, i universum för 11,5 miljarder år sedan i det tidiga universum.
Himmelsfördelning av den neutrala vätgasen i de tre fält som studeras i detta arbete. Medan den neutrala vätgasdensiteten i de normala fälten (SXDS och GOODS-N) överensstämmer med den genomsnittliga densiteten i hela universum för 11,5 miljarder år sedan, den neutrala vätgasdensiteten är högre än genomsnittet över hela SSA22 proto-superklusterfältet. Konturerna motsvarar galaxernas taltäthet. Djärv, fast tunn, och streckade konturer betyder genomsnittet, hög densitet, och lågdensitetsregioner, respektive. Kredit:Osaka Sangyo University / NAOJ
Nya kartor över neutral vätedistribution
Forskarnas arbete resulterade i mycket omfattande kartor över den neutrala vätgasen i de tre studerade områdena. Det verkar som om den neutrala vätgasabsorptionen är signifikant stark över hela SSA22 proto-superklusterfältet jämfört med de i normalfälten (SXDS och GOODS-N). Det är tydligt bekräftat att proto-superklustermiljön är rik på neutral vätgas, som är galaxernas viktigaste byggsten.
Teamets arbete avslöjade också att gasdistributionen i proto-supercluster-regionen inte stämmer överens med galaxernas fördelning perfekt. Medan proto-superklustern är rik på både galaxer och gas, det finns inget beroende av gasmängd i lokal skala som är korrelerad med tätheten av galaxer inuti proto-superklustret. Detta resultat kan innebära att den neutrala vätgasen inte bara är associerad med de enskilda galaxerna utan också sprider sig diffust ut över intergalaktiskt utrymme bara inom proto-superkluster. Eftersom det neutrala vätgasöverskottet i SSA22 -fältet detekteras över hela det sökta området, denna övertäta gasstruktur är faktiskt förlängd med mer än 160 miljoner ljusår. I den traditionella synen på strukturbildning, fluktuationer i materiens densitet tros vara mindre och storskalig högdensitetsstruktur var sällsyntare i det tidiga universum. Upptäckten att en gasstruktur som sträcker sig över mer än 160 miljoner ljusår (vilket är ungefär samma som dagens superkluster i skala) redan fanns i universum för 11,5 miljarder år sedan är ett överraskande resultat av denna studie.
Genom att undersöka rumslig fördelning av den neutrala vätgasen i ett mycket stort område, forskarna har gett ett nytt fönster om förhållandet mellan gas och galaxer i det unga universum. Den enorma gasstrukturen SSA22 som avslöjas av detta arbete anses vara ett nyckelobjekt för att testa standardteorin om strukturbildning, och därför väntas ytterligare utredning.
