Natthimlen är en naturlig tidsmaskin, används av kosmologer för att utforska universums ursprung och utveckling. Att nå in i det förflutnas djup, en klass av studenter vid University of Chicago försökte göra detsamma – och upptäckte en extraordinärt avlägsen galax i det tidiga kosmos.

Ljus som sänds ut från avlägsna himlaobjekt tar lång tid att nå observatörer på jorden. Det betyder att stjärnorna och galaxerna vi ser på himlen ser ut för oss som de skulle ha funnits i miljoner, eller till och med miljarder, år sedan.

Den upptäckta galaxens ljus kommer från en tid då universum bara var 1,2 miljarder år gammalt, ungefär en tiondel av sin nuvarande ålder. Vid det här laget, den unga galaxen hade redan samlat på sig en massa som var imponerande jämförbar med dagens version av vår hemgalax, Vintergatan.

"Denna galax som vi har observerat, genom att se ut och tillbaka in i det förflutna, är redan vuxen. Det har redan bildat nästan en Vintergatans stjärnor, sa Michael Gladders, en professor vid UChicagos avdelning för astronomi och astrofysik. "Det är ganska mogen, men i ett mycket tidigare skede i universum."

Upptäckten var en klimatisk milstolpe i den första iterationen av en fältkurs som utvecklats för den nya astrofysikmajoren som erbjuds av UChicago. Studenter i två fjärdedels klassen bildade ett nytt forskningssamarbete, COOL-LAMPOR, och undersökte offentliga bilddatabaser på jakt efter linsförsedda galaxer. Det anmärkningsvärda fyndet bekräftades av observationer från markbaserade instrument:Magellan-teleskopen i Chile och Gemini North-teleskopet på Hawaii.

"Naturens teleskop"

En linsgalax är en vars emitterade ljus har böjts av gravitationen hos ett massivt föremål som ligger mellan galaxen och observationspunkten. Denna effekt, känd som gravitationslinser, skapar en förvrängd, bågliknande bild av galaxen med en intensivt förstorad ljusstyrka.

Gladders, som undervisade i fältkursen under första halvåret 2020, kallar gravitationslinser "naturens teleskop." "Det är en sällsynt, märklig form av fokusering och förstoring som gör att vi kan studera galaxer med mycket större detaljer än vi någonsin normalt skulle kunna, " han sa.

Ljus från den upptäckta galaxen förstorades så kraftigt av ett kluster av andra galaxer i dess förgrund att det konkurrerade med bilder av himlen tagna från rymden.

"Detta var ett markbaserat teleskop som tog data från denna absolut vackra båge, " sa Gourav Khullar, en UChicago Ph.D. kandidat som tjänstgjorde som lärarassistent för fältkursen och är första författare till uppsatsen som beskriver resultaten. "Det är ungefär hundra gånger ljusare än klassiska bilder av liknande avlägsna galaxer från rymdteleskopet Hubble!"

En omfattande studie av stjärnpopulationerna i denna galax, genomförda av studentmedarbetarna, drog slutsatsen i insikten att detta var den ljusaste linsgalax som någonsin observerats under denna tidsperiod av det tidiga universum.

Utan gravitationslinser, fastän, den avlägsna galaxen skulle se mycket mörkare ut, om det alls syns.

"Bågen har förstorats av den mellanliggande linsen på ett sådant sätt att den är extremt ljus, " sade Khullar. "Men en olinsad version av galaxen skulle inte se ut så här; det skulle vara mycket svagare och inte alls upptäckas av nuvarande markbaserade anläggningar."

Drivs igenom pandemin

Fältkursen var utformad för att ge astrofysik-major ett verkligt liv, banbrytande forskningsmöjlighet. Ursprungligen blygsam i ambition, Gladders övertygade institutionen och kollegiet att investera i en komplett fältupplevelse, inklusive ett besök på Magellan-teleskopen för att delta i astronomisk observationstid under vårlovet.

Men coronavirus-pandemin omintetgjorde dessa planer, riva bort det som var tänkt att vara klassens kärnupplevelse.

"Allt var bokat, " sa Gladders. "Jag hade redan ordnat resor till andra observatorieplatser, byggarbetsplatser för att se teleskop som för närvarande byggdes, och att se själva Chile."

Mitt i mörka tider, COOL-LAMPS-eleverna fortsatte med skanningen av offentlig himmeldata, så småningom nå sin upplysande galaktiska upptäckt.

"För mig, det var en chock att vi hade hittat något så viktigt, sa Emily Sisco, en fjärdeårs astrofysikinriktning som deltog i fältkursen under det senaste läsåret. "Allt arbete vi hade gjort ledde fram till det ögonblicket, men jag blev ändå chockad!"

Spännande första resultat har uppmuntrat COOL-LAMPS-samarbetet att fortsätta observationstid för en andra våg av studier. Planer är inställda på att observera galaxen med markbaserade teleskop i New Mexico och Europa, samt två av NASA:s kretsande rymdteleskop, Hubble och Chandra X-ray Observatory.

"Med högre upplösning från rymden, astronomer kommer att kunna lösa strukturen för denna galax, " sa Ezra Sukay, som gick med i COOL-LAMPS-samarbetet som tredjeårsstudent i College. "Detta kommer att avslöja detaljer om stjärnbildning i mycket massiva galaxer tidigt i universum."

Gladders förväntade sig att klassen skulle bli framgångsrik på något sätt, men förutsåg inte en galax så exceptionellt ljus, långt tillbaka i tiden, eller mogna som vad som upptäcktes. "Det är bara helt fantastiskt, " sa han. "Jag är så stolt över dem - de har gjort ett riktigt bra jobb."

I januari, Gladders kommer att börja undervisa i en andra version av fältkursen, lägga till nya studenter till COOL-LAMPS som kommer att fortsätta att undersöka bildandet och utvecklingen av galaxer över kosmisk tid.

"Ett av de stora målen med att studera kosmos är att svara på den grundläggande frågan om var vi kommer ifrån, sa Gladders. Vi som art, men också planeten vi lever på, det solsystem som planeten befinner sig i, och galaxen som vårt solsystem befinner sig i.

"Vi tar upp denna djupa längtan efter att förstå var allt kommer ifrån och i slutändan, hur passar vi in?"

COOL-LAMPS är en förkortning för ChicagO Optiskt utvalda starka linser – belägna vid marginalen av offentliga undersökningar.