Astronomer har upptäckt en extrem och tidigare okänd typ av stjärnfabrik genom att lyckas mäta temperaturen i en avlägsen galax. Galaxen lyser intensivt av överhettat kosmiskt stoft och bildar stjärnor 180 gånger snabbare än vår egen Vintergata. Upptäckten, med teleskopet Alma, kan dessutom förklara hur galaxer kunde växa snabbt när universum var ungt.
De första generationerna av stjärnor som bildades i universum kom till under förhållanden som skiljer sig avsevärt från allt vi kan se på närmare håll i rymden idag. Astronomer studerar dessa skillnader med hjälp av kraftfulla teleskop, som kan upptäcka galaxer så långt borta att deras ljus har färdats mot oss i flera miljarder år.
Nu har ett internationellt forskarlag, lett av Chalmersastronomen Tom Bakx, kunnat mäta temperaturen i en av de mest avlägsna kända stjärnfabrikerna. Galaxen, känd som Y1, ligger så långt bort att dess ljus har tagit över 13 miljarder år att nå oss.
– Vi ser tillbaka på en tid då universum skapade stjärnor mycket snabbare än idag. Tidigare observationer av den här galaxen avslöjade att den innehåller stoft och damm, vilket gör den till den mest avlägsna galax där vi kunnat upptäcka ljus från stoft. Detta fick oss att misstänka att den kanske driver en annorlunda, överhettad typ av stjärnfabrik. För att kunna vara säkra ville vi mäta dess temperatur, säger Tom Bakx.
Stjärnor som vår sol föds i enorma, täta gasmoln i rymden. Orionnebulosan är ett välkänt exempel på en sådan stjärnfabrik. Dessa lyser starkt på natthimlen tack vare de yngsta och tyngsta stjärnorna, som lyser upp moln av gas, stoft och damm i många olika färger.
Vid våglängder som är längre än det mänskliga ögat kan uppfatta, lyser stjärnfabriker också starkt, men då tack vare ett enormt antal små kosmiska stoftkorn, uppvärmda av stjärnljus.
"En extrem stjärnfabrik"
För att kunna undersöka galaxens temperatur utnyttjade forskarna teleskopet Almas känslighet. Alma är ett av världens största radioteleskop, beläget på en mycket torr bergsplatå i norra Chile. Forskarna kunde avbilda galaxen i precis rätt färg, vid en våglängd på 0,44 millimeter med hjälp av Alma-teleskopets avancerade Band 9-mottagare.
– Vid den här våglängden lyses galaxen upp av många böljande moln av lysande stoftkorn. När vi såg hur starkt den här galaxen lyser, jämfört med andra våglängder, visste vi med en gång att vi tittade på något speciellt, säger Tom Bakx.
Mätningarna visade att galaxens stoftmoln glöder med en temperatur på 90 Kelvin, eller minus 180 grader Celsius.
– Jämfört med dammet i våra hem är det helt klart kallt, men ändå mycket varmare än i någon annan jämförbar galax som vi har sett. Temperaturen bekräftar att det verkligen är en extrem stjärnfabrik. Det är första gången vi har sett en galax som denna, men vi tror att det kan finnas många fler där ute. Stjärnfabriker som Y1 kan ha varit vanliga i det tidiga universum, säger Yoichi Tamura, astronom vid Nagoya-universitetet i Japan.
Galaxen Y1 tillverkar stjärnor i en extrem och ohållbar takt som motsvarar 180 gånger solens massa varje år. I vår galax, Vintergatan, skapas i snitt bara ungefär en ny stjärna med solens massa per år. I det unga universum, där vi ser galaxen Y1, tror forskarna att sådana korta utbrott av stjärnbildning kan ha varit vanliga.
– Vi vet inte hur vanliga sådana faser kan vara i det tidiga universum. Framöver vill vi leta efter fler exempel på stjärnfabriker som den här. Vi planerar också att använda Almas förmåga till högupplösta mätningar för att titta närmare på hur just den här galaxen fungerar, säger Tom Bakx.
Kan bidra till att lösa ett annat kosmiskt mysterium
Bakx forskarlag tror att galaxen Y1 kan bidra till att lösa ett annat kosmiskt mysterium. Tidigare studier har visat att galaxer i det tidiga universum verkar innehålla mycket mer stoft än vad deras stjärnor kan ha tillverkat under den korta tid de har lyst.
Astronomer har förbryllats över detta, men nu pekar Y1:s ovanliga temperatur på en lösning. Forskaren Laura Sommovigo, astrofysiker vid Flatiron Institute och Columbia University i USA, förklarar:
– Galaxer i det tidiga universum verkar vara för unga utifrån den mängd stoft och damm som de innehåller. Det märkliga är att de inte innehåller tillräckligt många gamla stjärnor, runt vilka de flesta stoftkorn bildas. Men en liten mängd varmt stoft kan lysa lika starkt som stora mängder kallt stoft, och det är precis vad vi ser i Y1. Dessa galaxer är fortfarande unga och innehåller ännu inte så mycket tunga grundämnen eller stoft, men de mindre mängder som ändå finns är både varma och ljusstarka.
Kontakter
För mer information, kontakta:
Robert Cumming, astronom och kommunikatör, Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola, robert.cumming@chalmers.se, 070 493 31 14 eller 031 772 5500
Tom Bakx, astronom, Chalmers tekniska högskola, tom.bakx@chalmers.se, 079 304 56 68
Kirsten Knudsen, astronom och professor, Chalmers tekniska högskola, kirsten.knudsen@chalmers.se
Mer om forskningen
Forskningen presenteras i artikeln A warm ultraluminous infrared galaxy just 600 million years after the Big Bang, som publicerats i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Länk till forskningsartikel: https://doi.org/10.1093/mnras/staf1714
Forskarlaget består av Tom Bakx (Chalmers tekniska högskola, Sverige), Laura Sommovigo (Flatiron Institute, USA), Yoichi Tamura (Nagoya universitet, Japan), Renske Smit (Liverpool John Moores University, Storbritannien), Andrea Ferrara (Scuola Normale Superiore, Italien), Hiddo Algera (Academia Sinica, Taiwan), Susanne Aalto (Chalmers), Duncan Bossion (Universitetet i Rennes, Frankrike), Stefano Carniani (Scuola Normale Superiore, Italien), Clarke Esmerian (Chalmers), Masato Hagimoto (Nagoya universitet, Japan), Takuya Hashimoto (Tsukuba-universitet, Japan), Bunyo Hatsukade (Nationella astronomiska observatoriet i Japan NAOJ, Sokendai Graduate University for Advanced Studies, och Tokyos universitet, Japan), Edo Ibar (Universidad de Valparaíso, Chile), Hanae Inami (Hiroshimauniversitetet, Japan), Akio K. Inoue (Wasedauniversitetet, Japan; Wasedauniversitetet, Japan), Kirsten Knudsen (Chalmers), Nicolas Laporte (Aix-Marseille-universitetet, Frankrike), Ken Mawatari (Wasedauniversitetet, Japan), Juan Molina (Universidad de Valparaíso, Chile), Gunnar Nyman (Göteborgs universitet), Takashi Okamoto (Hokkaido-universitetet, Japan), Andrea Pallottini (Scuola Normale Superiore och Universitetet i Pisa, Italien), W. M. C. Sameera (Chalmers), Hideki Umehata (Nagoya-universitetet, Japan), Wouter Vlemmings (Chalmers), samt Naoki Yoshida (Tokyos universitet, Japan).
Galaxen Y1 har fullständigt katalognummer MACS0416_Y1. Den ligger så långt från jorden att dess ljus sträcks ut av universums expansion; astronomer refererar till dess avstånd som rödförskjutning 8,3. Den upptäcktes bakom en galaxhop som kallas MACS0416, som ligger närmare oss, endast fyra miljarder ljusår bort i riktning mot stjärnbilden Floden Eridanus.
Tidigare observationer av samma forskarlag visade att galaxen innehar rekordet för det mest avlägsna ljus som kunnat upptäckas från kosmiskt stoft. Se tidigare pressmeddelande på Alma-observatoriets hemsida.
Bilder
A: Skiner i rött med ljus som färdats från det avlägsna förflutna: Galaxen Y1 (inringad) lyser tack vare stoftkorn som värmts upp av nybildade stjärnor. Bilden är tagen med James Webb-teleskopet.
Bild: NASA, ESA, CSA, STScI, J. Diego (Instituto de Física de Cantabria, Spanien), J. D’Silva (U. Western Australia), A. Koekemoer (STScI), J. Summers & R. Windhorst (ASU), och H. Yan (U. Missouri)
B: Galaxen Y1 visas här i bilder från både James Webb-teleskopets kamera för kortvågigt infrarött ljus (visas i blått och grönt) och från Alma (i rött).Bild: NASA, ESA, CSA (JWST), T. Bakx/ALMA (ESO/NRAO/NAOJ)
