En konstnärs återgivning visar hur en galaxhop (linskluster) fungerar som en gravitationslins som förstorar och förlänger ljuset från en bakgrundsgalax. Detta resulterar i en projicerad bild (markerad i rektangelpanelen) som är ljusare och lättare att upptäcka med ett teleskop. Detta gjorde det möjligt för astronomer att använda Keck Observatorys KCWI-instrument för att zooma in på den projicerade bilden och kartlägga gasen från två gigantiska DLA:er som är två tredjedelar av Vintergatans storlek. Kredit:W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko
Ett unikt nytt instrument, tillsammans med ett kraftfullt teleskop och lite hjälp från naturen, har gett forskare möjligheten att titta in i galaktiska plantskolor i hjärtat av det unga universum.
Efter big bang för cirka 13,8 miljarder år sedan fylldes det tidiga universum med enorma moln av neutral diffus gas, kända som Damped Lyman-α-system eller DLA. Dessa DLA:er fungerade som galaktiska plantskolor, eftersom gaserna inom långsamt kondenserades för att underblåsa bildandet av stjärnor och galaxer. De kan fortfarande observeras idag, men det är inte lätt.
"DLA:er är nyckeln till att förstå hur galaxer bildas i universum, men de är vanligtvis svåra att observera eftersom molnen är för diffusa och själva inte avger något ljus", säger Rongmon Bordoloi, biträdande professor i fysik vid North Carolina State University och motsvarande författare till forskningen.
För närvarande använder astrofysiker kvasarer - supermassiva svarta hål som avger ljus - som "bakgrundsbelysning" för att upptäcka DLA-molnen. Och även om den här metoden tillåter forskare att lokalisera DLA-platser, fungerar ljuset från kvasarerna bara som små spett genom ett massivt moln, vilket hindrar ansträngningarna att mäta deras totala storlek och massa.
Men Bordoloi och John O'Meara, chefsforskare vid W.M. Keck Observatory i Kamuela, Hawaii, hittade en väg runt problemet genom att använda en gravitationslinsgalax och integralfältspektroskopi för att observera två DLA – och värdgalaxerna inom – som bildades för cirka 11 miljarder år sedan, inte långt efter big bang.
"Gravitationslinsiga galaxer hänvisar till galaxer som verkar sträckta och ljusare," säger Bordoloi. "Detta beror på att det finns en gravitationsmässigt massiv struktur framför galaxen som böjer ljuset som kommer från den när det färdas mot oss. Så det slutar med att vi tittar på en utökad version av objektet - det är som att använda ett kosmiskt teleskop som ökar förstoringen och ger oss bättre visualisering.
"Fördelen med detta är tvåfaldig:en, bakgrundsobjektet är utsträckt över himlen och ljust, så det är lätt att ta spektrumavläsningar på olika delar av objektet. Två, eftersom linsning förlänger objektet, kan du sondera mycket små skalor . Till exempel, om objektet är ett ljusår tvärs över, kan vi studera små bitar med mycket hög kvalitet."
Spektrumavläsningar tillåter astrofysiker att "se" element i rymden som inte är synliga för blotta ögat, såsom diffusa gasformiga DLA och de potentiella galaxerna inom dem. Normalt är det en lång och mödosam process att samla in avläsningarna. Men teamet löste det problemet genom att utföra integralfältspektroskopi med Keck Cosmic Web Imager.
Integral fältspektroskopi gjorde det möjligt för forskarna att få ett spektrum vid varje enskild pixel på den del av himlen den riktade sig mot, vilket gjorde spektroskopi av ett utsträckt objekt på himlen mycket effektiv. Denna innovation i kombination med den sträckta och ljusare gravitationslinsgalaxen gjorde det möjligt för teamet att kartlägga den diffusa DLA-gasen på himlen med hög trohet. Genom denna metod kunde forskarna fastställa inte bara storleken på de två DLA:erna, utan också att de båda innehöll värdgalaxer.
"Jag har väntat större delen av min karriär på den här kombinationen:ett teleskop och instrument som är tillräckligt kraftfulla, och naturen som ger oss lite turliga anpassningar för att studera inte en utan två DLA på ett rikt nytt sätt," säger O'Meara. "Det är fantastiskt att se vetenskapen bli verklighet."
DLA:erna är enorma, förresten. Med diametrar större än 17,4 kiloparsek är de mer än två tredjedelar av storleken på Vintergatans galax idag. Som jämförelse, för 13 miljarder år sedan, skulle en typisk galax ha en diameter på mindre än 5 kiloparsecs. En parsec är 3,26 ljusår och en kiloparsec är 1 000 parsec, så det skulle ta ljus cirka 56 723 år att resa över varje DLA.
"Men för mig är det mest fantastiska med DLA:erna vi observerade att de inte är unika - de verkar ha likheter i struktur, värdgalaxer upptäcktes i båda, och deras massor indikerar att de innehåller tillräckligt med bränsle för nästa generation av stjärnbildning," säger Bordoloi. "Med den här nya tekniken till vårt förfogande kommer vi att kunna gräva djupare i hur stjärnor bildades i det tidiga universum."
Verket visas i tidskriften Nature . + Utforska vidare
