Konstnärens intryck av ett dammhöljt stjärnskott. Kredit:ESO/M. Kornmesser
Med hjälp av flera radioteleskop över hela världen har ett team av astronomer från Cosmic Dawn Center, Köpenhamn, upptäckt flera galaxer i det tidiga universum som, på grund av enorma mängder damm, var dolda från vår syn. Observationerna gjorde det möjligt för teamet att mäta dammets temperatur och tjocklek, vilket visade att denna typ av galaxer bidrog avsevärt till den totala stjärnbildningen när universum bara var 1/10 av sin nuvarande ålder.
Att mäta hastigheten med vilken stjärnor föds i galaxer över kosmisk tid är ett av de grundläggande sätten som astronomer beskriver galaxernas egenskaper och utveckling.
Olika metoder används för att uppskatta denna så kallade stjärnbildningshastighet, vanligtvis beroende på ljuset som sänds ut från antingen stjärnorna eller från materia som belyses av stjärnorna.
Kosmiskt damm
Men stjärnorna som bildas tenderar i sin tur att skapa damm — partiklar gjorda av tunga grundämnen som kol, kisel, syre och järn. Dammet uppträder som tjocka moln i utrymmet mellan stjärnorna, som möjligen döljer stjärnorna helt för våra ögon.
Detta gör det svårt att få en inventering av stjärnbildningshastigheten, särskilt i unga, "starburst" galaxer, där stoftet ännu inte har hunnit sprida sig långt från de kompakta platserna för stjärnbildning.
När dammet värms upp av stjärnorna börjar det lysa i långvågigt, infrarött ljus som, även om det är osynligt för det mänskliga ögat, kan upptäckas av teleskop som är konstruerade för att observera dessa våglängder.
Men för de mest kompakta, dammhöljda stjärnskotten ser vi bara molnytan. Dessa galaxer är osynliga inte bara vid de "mänskligt uppfattbara" optiska våglängderna, utan också i början av det infraröda spektrumet, helt mörka även för Hubble Space Telescope.
Sex olika vyer av samma galax (ID12646), sedda mindre än en miljard år efter Big Bang, vid progressivt längre våglängder. De två första bilderna visar — eller snarare visar inte — galaxen i det nära-infraröda; galaxen är helt osynlig. Först när man tittar på de längre våglängderna avslöjas galaxen. Kredit:Shuowen Jin / Peter Laursen
Galaxer på radio
Ett team av astronomer – ledda av Shuowen Jin (靳硕文), Marie Curie postdoc-stipendiat vid Cosmic Dawn Center, och inklusive flera andra DAWNers – bestämde sig därför för att ta en titt på det tidiga universum på ännu längre våglängder, med hjälp av radio/mikrovågsantennerna vid två av världens största radioobservatorier, Atacama Large Millimeter Array (ALMA) i Chile och Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) i Frankrike.
Tillsammans med observationer av samma fält på himlen som förvärvats med andra radioteleskop, avslöjade Jins observationer en population av kompakta starburst-galaxer, inkapslade i extremt tjocka dammmoln.
Piercing genom molnen
Radio- och mikrovågsobservationerna gjorde det möjligt för astronomerna att mäta stjärnbildningshastigheten och dammets temperatur.
"Under dessa epoker, 1–2 miljarder år efter Big Bang, bidrog galaxer som dessa avsevärt till universums totala stjärnbildningshastighet, men passerar obemärkt i optiska och nära-infraröda observationer", säger Shuowen Jin.
Studien förklarar varför dessa galaxer är så mörka i optiskt och infrarött:"Eftersom dammmolnen är så tjocka och täta kan optiskt och nära-infrarött ljus inte färdas igenom. Även det långt infraröda ljuset absorberas delvis", förklarar Shuowen Jin.
Observationerna avslöjar inte bara damm, utan också monoxidmolekyler (CO), blandade i molnen. Ljuset som sänds ut av CO kan hjälpa astronomer att undersöka en annan viktig mängd galaxer, nämligen massan av all gas i galaxen. Ett av nyckelresultaten av Jins och hans medarbetares arbete är dock att standardsättet att härleda gasmassor från CO-utsläpp är felaktigt:
Det observerade ljuset sänds ut från de dammiga molnens ytor. Typiska modeller anser inte att ljus är blockerat inne i molnen och ändrar dess våglängd innan det flyr. Att ta hänsyn till denna effekt har ganska drastiska konsekvenser:
"Vår modell förklarar det faktum att inte ens det infraröda ljuset flyr direkt från dammmolnens centrum. Detta visar oss att tidigare uppskattningar av gasmassor har överskattats med en faktor 2–3 i kompakta, dammiga, stjärn- bildar galaxer", förklarar Shuowen Jin.
Studien har precis godkänts för publicering i Astronomy &Astrophysics . Ett förtryck finns på arXiv.org. + Utforska vidare
