Ett collage av 21 galaxer avbildade av ALPINE-undersökningen. Bilderna är baserade på ljus som emitteras av enskilt joniserat kol, eller C+. Dessa data visar mängden olika galaxstrukturer som redan finns på plats mindre än 1,5 miljarder år efter Big Bang (vårt universum är 13,8 miljarder år gammalt). Några av bilderna innehåller faktiskt sammanslagna galaxer; till exempel, objektet i den översta raden, andra från vänster, är faktiskt tre galaxer som smälter samman. Andra galaxer verkar vara mer jämnt ordnade och kan vara spiraler; ett tydligt exempel är på andra raden, första galaxen från vänster. Vår Vintergatans galax visas i skalen för att hjälpa till att visualisera de små storlekarna på dessa spädbarnsgalaxer. Kredit:Michele Ginolfi (ALPINE-samarbete); ALMA(ESO/NAOJ/NRAO); NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)
Nya resultat från ett ambitiöst skyundersökningsprogram, kallas ALPIN, avslöjar att roterande skivformade galaxer kan ha funnits i stort antal tidigare i universum än man tidigare trott.
ALPIN-programmet, formellt kallat "ALMA Large Program to Investigate C+ at Early Times, " använder data som erhållits från 70 timmars himmelobservationer med ALMA-observatoriet (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) i Chile, i kombination med data från tidigare observationer av en mängd andra teleskop, inklusive W. M. Keck-observatoriet på Hawaii och NASA:s rymdteleskop Hubble och Spitzer. Specifikt, undersökningen tittade på en del av himlen som innehöll dussintals avlägsna galaxer.
"Detta är den första multi-våglängdsstudien från ultravioletta till radiovågor av avlägsna galaxer som existerade mellan 1 miljard och 1,5 miljarder år efter Big Bang, säger Andreas Faisst, en stabsforskare vid IPAC, ett astronomicenter vid Caltech, och en huvudutredare av ALPINE-programmet, som inkluderar forskare över hela världen.
En av ALPINEs nyckelfunktioner är att använda ALMA för att observera signaturen för en jon känd som C+, som är en positivt laddad form av kol. När ultraviolett ljus från nyfödda stjärnor träffar moln av damm, det skapar C+-atomerna. Genom att mäta signaturen för denna atom, eller "emissionslinje, "i galaxer, astronomer kan se hur galaxerna roterar; när gasen som innehåller C+ i galaxerna snurrar mot oss, dess ljussignatur skiftar till blåare våglängder, och när den snurrar iväg, ljuset skiftar till rödare våglängder. Detta liknar en polisbils siren som ökar i tonläge när den rusar mot dig och minskar när den rör sig bort.
Använder ALMA, forskare kan mäta rotationen av galaxer i det tidiga universum med en precision på flera 10 kilometer per sekund. Detta görs möjligt genom att observera ljus som sänds ut av enskilt joniserat kol i galaxerna, även känd som C+. C+-emissionen från gasmoln som roterar mot oss skiftas till blåare, kortare våglängder, medan molnen som roterar bort från oss avger ljus som förskjutits till längre, rödare våglängder. Genom att mäta denna förändring i ljus, astronomer kan avgöra hur snabbt galaxerna roterar. Kredit:Andreas Faisst (ALPINE-samarbete)
ALPINE-teamet gjorde C+-mätningarna på 118 avlägsna galaxer för att skapa en katalog över inte bara deras rotationshastigheter utan även andra funktioner som gasdensitet och antalet stjärnor som bildas.
Undersökningen avslöjade roterande manglade galaxer som höll på att smälta samman, förutom till synes perfekt släta spiralformade galaxer. Cirka 15 procent av de observerade galaxerna hade en jämn, ordnad rotation som förväntas för spiralgalaxer. Dock, författarna noterar, galaxerna kanske inte är spiraler utan roterande skivor med klumpar av material. Framtida observationer med nästa generation av rymdbaserade teleskop kommer att fastställa den detaljerade strukturen för dessa galaxer.
"Vi hittar fint ordnade roterande galaxer i detta mycket tidiga och ganska turbulenta skede av vårt universum, " säger Faisst. "Det betyder att de måste ha bildats genom en smidig process för att samla gas och inte har kolliderat med andra galaxer ännu, som många av de andra galaxerna har."
By combining the ALMA data with measurements from other telescopes, including the now-retired Spitzer, which specifically helped measure the masses of the galaxies, the scientists are better able to study how these young galaxies evolve over time.
The object pictured above is DC-818760, which consists of three galaxies that are likely on collision course. Like all the galaxies in the ALPINE survey, it has been imaged by different telescopes. This "multi-wavelength" approach allows astronomers to study in detail the structure of these galaxies. NASA's Hubble Space Telescope (blue) reveals regions of active star formation not obscured by dust; NASA's now-retired Spitzer Space Telescope (green) shows the location of older stars that are used to measure the stellar mass of galaxies; and ALMA (red) traces gas and dust, allowing the amount of star formation hidden by dust to be measured. The picture at the top of the image combines light from all three telescopes. The velocity map on the bottom shows gas in the rotating galaxies approaching us (blue) or receding (red). Credit:Gareth Jones &Andreas Faisst (ALPINE collaboration); ALMA(ESO/NAOJ/NRAO); NASA/STScI; JPL-Caltech/IPAC (R. Hurt)
"How do galaxies grow so much so fast? What are the internal processes that let them grow so quickly? These are questions that ALPINE is helping us answer, " says Faisst. "And with the upcoming launch of NASA's James Webb Space Telescope, we will be able to follow-up on these galaxies to learn even more."
Studien, led by Faisst, betitlad, "The ALPINE-ALMA [CII] Survey:Multi-Wavelength Ancillary Data and Basic Physical Measurements, " was funded by NASA and the European Southern Observatory.
A brief overview of the survey, produced by a team led by Olivier LeFèvre of the Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM), is at ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019 … v191009517L/abstract; the ALMA data is detailed in another paper by a team led by Matthieu Béthermin of LAM, available at ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020 … v200200962B/abstract .
