Kæmpemæssig sky af vanddamp født kort efter Big Bang
Astronomer har opdaget en gigantisk sky af vanddamp 12 milliarder lysår herfra. Den omgiver et supermassivt sort hul og blev skabt kort efter Big Bang.

Denne illustration viser en kvasar (et supermassivt sort hul) som APM 08279+5255, hvor astronomer har opdaget store mængder vanddamp.Støv og gas har lagt sig i en roterende skive rundt om. (Illustration: NASA)

Vanddamp er ikke kun noget, der findes her på Jorden - det findes også rundt om i verdensrummet, og nu har amerikanske astronomer opdaget den hidtil største, fjerneste og dermed også ældste sky af vanddamp i universet.

Den rummer 140 billioner gange mere vand, end hvad der findes i Jordens oceaner tilsammen, og befinder sig 12 milliarder lysår herfra omkring et supermassivt sort hul, en såkaldt kvasar. Dermed er den 12 milliarder år gammel og blev altså skabt kort efter universets fødsel, der fandt sted for 13,7 milliarder år siden.

Opdagelsen kommer som lidt af en overraskelse, for godt nok burde der ifølge teorierne findes vanddamp i universets tidlige historie, men astronomerne havde ikke regnet med at finde det så tæt på Big Bang. Den nye opdagelse viser, at universet har rummet vand i langt størstedelen af sin levetid.

Det fortæller astrofysiker Alberto Bolatto fra Maryland University, der er én af hovedkræfterne bag studiet.

»Vand er den molekylære basis for liv, som vi kender det. Så vores opdagelse af forekomster af vanddamp omkring denne kvasar, mindre end et par milliarder år efter Big Bang, viser, at nogle af livets byggesten fandtes i rigt mål i universets tidlige historie, « skriver han i en mail til Videnskab.dk.

Vanddampen er forholdsvis varm

Fakta

Vores egen galakse, Mælkevejen, rummer 4000 gange mindre vand end den nyopdagede sky i kvasaren APM 08279+5255. Til gengæld rummer Mælkevejen store mængder vandis.

Kvasarer er de mest lysstærke og energirige objekter i universet. Energien kommer fra kæmpemæssige sorte huller, der suger gas til sig fra omgivelserne. 

Den kvasar, som forskerne har observeret, rummer et sort hul, der er 20 milliarder gange tungere end Solen, og som udsender mere energi end 1000000000000000000000000 sole. Den nyopdagede sky af vanddamp omgiver kvasarens sorte hul og strækker sig over flere hundrede lysår.

»Kvasarens omgivelser er meget unikke fordi den producerer denne enorme mængde vanddamp,« fortæller Alberto Bolatto.

Både oldning og særling

Selv om dampen er minus 53 grader Celsius og uhyre tynd, 300 billioner gange mindre tæt end Jordens atmosfære, så er den faktisk fem gange varmere og et sted mellem 10 og 100 gange tættere, end hvad der er normalt for galakser som vores egen Mælkevej.

Vanddampen er ikke det eneste, der omgiver det sorte hul. I området findes der også mange andre gasarter samt støvpartikler, der suges ind mod det sorte hul af det enorme tyngdefelt.

Fakta

Forskerne har fået publiceret deres resultater i det velansete Astrophysical Journal Letters. Artiklens forfattere er Matt Bradford, Hien Nguyen, Jamie Bock, Jonas Zmuidzinas and Bret Naylor of JPL; Alberto Bolatto of the University of Maryland, College Park; Phillip Maloney, Jason Glenn and Julia Kamenetzky of the University of Colorado, Boulder; James Aguirre, Roxana Lupu and Kimberly Scott of the University of Pennsylvania, Philadelphia; Hideo Matsuhara of the Institute of Space and Astronautical Science in Japan; and Eric Murphy of the Carnegie Institute of Science, Pasadena.

Studierne af gassens molekyler af vand og kulilte viser, at der er tilstrækkeligt med gas i området til, at det gigantiske sorte hul kan vokse sig seks gange større, end det ser ud nu.

»Det område, hvor vi finder vanddamp, omegnen af et supermassivt sort hul, er udsat for massiv røntgenstråling og kan derfor ikke være grobund for liv. Men vandmolekyler er til gengæld opstået i stor stil tæt på dette objekt. Dannelsen af vand i skyer af brint og oxygen kræver områder, hvor der er høj tæthed og mere varme, end hvad der er normalt for den slags ‘interstellart stof’. Og det er præcis disse betingelser, vi finder i området tæt på kvasaren,« pointerer Alberto Bolatto.

Mulighed for mere præcise afstandsmål

Den enorme sky af vanddamp vækker altså begejstring blandt de forskere, der har opdaget den. I Danmark gør opdagelsen af den specielle kvasar også indtryk, mest fordi den giver mulighed for at måle afstande i universet på en helt ny måde. 

Postdoc Kelly Denney fra Darc Cosmology Centret, Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet er én af de forskere i Danmark, der har specialiseret sig i kvasarer.

»Det er ikke specielt overraskende at finde store mængder vand, da der normalt findes hydrogen og oxygen i den sky, der omgiver et stort sort hul. Det mest interessante ved skyen er, at man kan bruge lyset fra det til at måle massen af det supermassive sorte hul ganske præcist, og potentielt som et afstandsmål til kvasaren, som er helt uafhængig af andre afstandsmålinger, og det er i sig selv stort,« påpeger hun.

Skyen afsløret af to forskerhold

Opdagelsen er gjort af to forskerhold, der har arbejdet uafhængigt af hinanden.

Det ene forskerhold er tilknyttet NASA under ledelse af astrofysiker Matt Bradford fra NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien.

Bradfords team påbegyndte sit studie tilbage i 2008 ved at bruge teleskopet Z-Spec ved California Institute of Technology’s Submillimeter Observatory – et telescope ved Mauna Kea i Hawaii.

Siden hen har man bekræftet målingerne ved hjælp af the ‘Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy (CARMA)’, som er en serie radioteleskoper i Inyo bjergene i det sydlige Californien.

Den anden gruppe er ledet af astrofysiker Dariusz Lis fra Caltech Submillimeter Observatory. Denne gruppe benyttede sig af ’Plateau de Bure Interferometer’ i de franske alper i jagten på vand.

Vanddampen blev opdaget i APM 8279+5255. Ved at lave en såkaldt spektralanalyse af skyen kunne Bradfords gruppe efterfølgende måle præcis hvor meget vanddamp, der var.

Sådan opstod vanddampen i kvasaren

Et vandmolekyle er sammensat af brint og ilt – grundstoffer, der har eksisteret i verdensrummet siden tidernes morgen. Dannelsen af vand fra brint og ilt kræver derfor kun de rette betingelser for at de to stoffer går i forbindelse med hinanden. Det fortæller postdoc Kelly Deans fra Darc Cosmology Centret på Københavns Universitet.

Områdets temperatur og tæthed må være idéelle, fortæller hun. Samtidigt mener forskere, at tilstedeværelsen af støv er nødvendig, for at der sættes gang i den kemiske proces. Vandmolekylerne dannes på overfladen af støvpartikler på samme måde som skyerne gør i vores atmosfære. Den eneste forskel er, at vandmolekylerne i Jordens atmosfære allerede findes og derfor kan ’nøjes’ med at kondensere på overfladen af støvpartiklerne. I rummet er det vandmolekylerne, der rent faktisk bliver opbygget på støvpartiklerne.

Den kemiske proces begynder med at et iltmolekyle binder sig til en støvpartikels overflade. Hvis støvpartiklen efterfølgende støder ind i brintmolekylerne i omgivelserne, kickstartes en kemisk reaktion, der munder ud i et OH-molekyle. Møder dette molekyle endnu et brint-atom, opnår man et fuldendt vandmolekyle.

”Støvet og gassen i kvasarens centrale dele har en stor spredning i temperatur såvel som tæthed på grund af de mange forskellige fysiske processer, der finder sted. Så, det er ikke underligt, at man inden for disse skyer af gas og støv kan finde områder, der opfylder alle betingelser for, at vanddamp kan opstå. Disse betingelser er meget tætte områder, der også er forholdsvist varme,” slutter Kelly Denney.

Resultaterne er netop publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Journal of Astrophysical Letters.