Astronomer finder 6 døde galakser fra det tidlige univers med hjælp fra kæmpe kosmologisk teleskop

Seks døde galakser har på mystisk vis opbrugt deres gas og er stoppet med at danne stjerner.

Det har en række astronomer – herunder astronomer fra det danske Cosmic Dawn Center – observeret og nu præsenteret i et studie, der netop er publiceret i tidsskriftet Nature.

Astronomer har aldrig før direkte observeret årsagen til, at galakserne på den måde er åndet ud. Men de har længe mistænkt, at grunden til, at nogle galakser holder op med at danne stjerner, er, at de simpelthen løber tør for gas.

»Nu har vi beviset,« konstaterer galakseforsker Katherine E. Whitaker, studiets hovedforfatter og lektor i astronomi på University of Massachusetts i USA, overfor Videnskab.dk.

‘Beviset’ er fremskaffet ved hjælp af rumteleskopet Hubble, radioteleskopet ALMA og et fascinerende ‘kosmisk teleskop’ kaldet en tyngdelinse – det kosmiske teleskop vender vi tilbage til senere i artiklen.

Det tidlige univers var fyldt med gas

De seks gasfattige – og altså nu døde – galakser befinder sig 10 til 12 milliarder lysår væk og stammer alle fra det tidlige univers. Det vil sige fra omkring 2-4 milliarder år efter Big Bang, der efterhånden fandt sted for 13,7 milliarder år siden.

At galakserne løb tør for gas i lige netop det tidlige univers, er faktisk lidt underligt:

»Stort set alle galakser i det tidlige univers er stopfyldt med gas,« pointerer professor i astronomi Sune Toft, der også står bag arbejdet med de døde galakser.

»De har typisk mange gange mere gas, end galakserne har i dag. Udover al den gas, de allerede har, bliver de bombarderet med friske forsyninger af gas fra omgivelserne. Så de har masser af gas til rådighed,« tilføjer professoren, der også forsker ved Cosmic Dawn Center under Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Stjerner dannes af gas. Så når en galakse ikke har mere gas at bruge af, holder den også op med at føde nye stjerner.

»Vi ved ikke med sikkerhed, hvorfor de observerede galakser løb tør for gas og holdt op med at danne stjerner. Men vi kan konstatere, at der ingen eller meget lidt gas var tilbage i galakserne,« lyder det fra Sune Toft.

Klik ‘engage’ i grafikken her for at se, hvordan universet så ud, og hvor varmt, tæt og stort det var i tiden efter Big Bang:

Problemer med at se den interaktive grafik herover? Prøv at rotér din mobiltelefon eller klik her for at få vist grafikken i et nyt browservindue.

Ny viden om stjerner og galakser

Hvordan galakserne mere præcist er døde, vil astronomerne undersøge nærmere i fremtiden.

Allerede nu bidrager observationerne dog med ny viden om stjerner og galakser, fortæller professor i astronomi Jørgen Christensen-Dalsgaard, der ikke har været involveret i det nye studie:

»Studiet er et væsentligt bidrag til forståelsen af den tidlige udvikling af galakser, men også forståelsen af vores egen galakse Mælkevejen,« siger Jørgen Christensen-Dalsgaard, der forsker ved Aarhus Universitet.

»Vi kan lave meget detaljerede observationer af Mælkevejen. Men det vil altid være som at rode i jorden i vores egen baghave efter arkæologiske spor for at forstå vores historie. Hvis man gerne vil forstå, hvordan galakser udvikler sig, kræver det, at vi ser på galakser, der er meget langt væk og derfor meget gamle, som de har gjort i studiet,« tilføjer han.

Studiets hovedforfatter Katherine E. Whitaker fremhæver ligeledes, at deres observationer kan udfordre vores klassiske forståelse af, hvordan galakser udvikler sig.

»At de observerede galakser har så lidt støv og gas, når de producerer allerflest stjerner, er overraskende, og det kan være vigtigt for at forstå, hvorfor galakser med tiden lukker ned og dør ud,« fortæller hun til Videnskab.dk.

En typisk galakse som Mælkevejen danner cirka en ny stjerne per år. Og generelt opbygges de fleste stjerner i galakser ganske fredeligt lidt ad gangen.

»Sådan har det ikke været i de her galakser. De har dannet alle deres stjerner og opbrugt al deres gas på meget, meget kort tid, sandsynligvis med hastigheder på tusindvis af stjerner per år,« siger Sune Toft og fortsætter:

»Hvis alle de her stjerner skal dannes meget, meget hurtigt, så skal et eller andet drive en masse gas ind i galaksen meget tidligt. Der er forskellige teorier for, hvad det kan skyldes. Det kan være kollisioner af to tunge galakser, der står bag,« siger Sune Toft.

To teorier

Selvom galaksernes død fortsat er et mysterium, er astronomerne ikke på helt bar bund, når de de skal forklare dødsårsagerne.

Der er to hovedteorier, fortæller Sune Toft.

Den første teori går på, at de observerede galakser i det tidlige univers løb tør for gas, fordi deres produktion af stjerner har været for effektiv.

»Alle galakser i det tidlige univers danner stjerner med høj aktivitet. Det kan være, de har opbrugt al gassen, fordi de meget effektivt har omdannet al gas i galaksen til stjerner på kort tid,« vurderer Sune Toft.

Der er forskellig evidens, der peger i den retning, tilføjer han. Blandt andet ved vi, at stjernerne i de døde galakser i det tidlige univers er dannet over meget kort tidsrum.

Den anden teori er, at et supertungt sort hul i midten af galaksen – hvad, der i øvrigt er i midten af alle galakser – har ædt sig større ved at sluge gas.

I den proces har det sorte hul spyet kraftige vinde og store mængder energi ud i galaksen, der – som et kraftigt vindpust – har blæst den resterende gas væk eller varmet gassen så meget op, at den ikke længere kan danne stjerner.

Formentlig har begge teorier spillet en rolle i, at galakserne er gået i graven, forklarer Sune Toft.

»Mit bedste bud er, at galakserne har dannet en hel masse stjerner på meget kort tid, og at det sorte hul i centeret af galakserne samtidig har vokset sig større og større for til sidst at stråle så kraftigt, at den sidste gas blev blæst ud af galakserne, så dannelsen af nye stjerner endeligt er stoppet,« fortæller han.

Kæmpe kosmologiske teleskoper

Mens astronomerne stadig fattes klare svar, kan de glæde sig over, at de er kommet i mål med deres observationer, der med kollegaen Jørgen Christensen-Dalsgaards ord bygger på »en helt fantastisk teknisk præstation«.

At observere gassen i galakser, der er op til 10-12 milliarder lysår væk, er normalt tæt på umuligt, fordi galakserne både er for lyssvage og for små til, at man kan se tilstrækkeligt med detaljer.

Men takket være et sjældent fænomen kendt som ‘tyngdelinser’ var astronomerne i stand til at undersøge galakserne i hidtil uset detaljegrad.

Tyngdelinserne er fænomen, der sker, når store samlinger af stjerner eller galakser klumper sig sammen et sted i universet og får så massiv en masse, at lys bøjes rundt om dem. Når lyset bøjes fra en stjerne eller galakse, der befinder sig bag så massiv en masse, vil lyset blive fokuseret og forstørret.

Når det sker, har man altså et kæmpe kosmologisk teleskop, som astronomerne kalder for en tyngdelinse:

»Faktisk fungerer tyngdelinsen som et naturligt optisk teleskop med fokus- og zoom-effekt,« forklarer Sune Toft.

De seks døde galakser, som forskerne fandt, befandt sig bag en tung samling af galakser – kaldet galaksehobe – der altså skabte tyngdelinser. Det gav forskerne en unik mulighed for at se de ellers fjerne galakser i en ny detaljegrad.

For at finde de forskellige galakser, der lå og gemte sig bag tyngdelinserne, brugte astronomerne i første omgang rumteleskopet Hubble, der kan se ud i rummet med uhyre høj detaljegrad. Galakserne har de ledt efter i omtrent 10 år.

Da de endelig fandt galakserne, brugte de radioteleskopet ALMA, der kunne fortælle, hvor meget – eller rettere lidt – gas, der var i de observerede galakser.

»For mig er det dybt imponerende, at de på den måde kan undersøge fjerne galakser ned på så detaljeret niveau gennem tyngdelinser, og at de har målt, hvor meget støv og gas der var i galakserne,« opsummerer Jørgen Christensen-Dalsgaard.

Venter på James Webb

Selvom det – indrømmet! – er meget imponerende at kunne se, hvor meget gas og støv der er i en gammel galakse, som befinder sig 10-12 milliarder lysår væk gennem et kosmisk teleskop, stopper forskerholdet ikke arbejdet der.

»Vi vil forsøge at lave dybere analyser med ALMA, så vi kan blive klogere på, om der overhovedet er noget gas tilbage i galakserne,« forklarer Sune Toft.

18. december i år opsendes NASA’s rumteleskop James Webb, der kan observere infrarød stråling og har et endnu større spejl.

James Webb-teleskopet vil med andre ord kunne lave mere præcise observationer fra rummet. Forskerholdet har allerede booket en tid på det store teleskop, så de kan se nærmere på de seks galakser.

»Hvis vi kan observere galakserne gennem James Webb, vil vi nok endelig kunne svare på, hvorfor galakserne er løbet tør for gas,« siger Sune Toft.

Han håber på, at de får data fra James Webb til næste sommer.