Danske forskere ser 13 milliarder år tilbage i tiden og gør »fantastisk« opdagelse

Forestil dig at kunne kigge ikke bare millioner, men milliarder af år tilbage i tiden. Længe før din tipoldefar, dinosaurerne, Jorden, Månen og vores sol blev skabt.

Hvordan så universet ud dengang?

I et nyt studie har en dansk forskergruppe udnyttet det yderst avancerede rumteleskop James Webb til at kigge mere end 13 milliarder år tilbage i tiden. Og her er det lykkedes dem at observere dannelsen af nogle af de tidligste galakser i universets historie.

»Det er første gang, man kan se selve dannelsen af de helt tidlige babygalakser,« fortæller Kasper Elm Heinz, som er adjunkt ved Cosmic Dawn Center på Københavns Universitet.

»Det er ret fantastisk.«

Han er førsteforfatter til det nye studie, som netop er publiceret i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Science.

Ser de virkelig tilbage i tiden?

Det lyder måske vanvittigt, at forskerne er i stand til at kigge milliarder af år tilbage i tiden. Men for astronomer er det faktisk helt naturligt at studere begivenheder, som skete i en yderst fjern fortid.

Når stjerner og galakser befinder sig meget fjernt fra os på Jorden, kan det nemlig tage millioner – eller milliarder - af år, før lyset fra de fjerne stjerner når frem til os.

»Jo længere væk en stjerne er fra os, des længere tid er stjernens lys nødt til at rejse gennem rummet, før vi kan se det. På den måde kigger vi altså tilbage i tiden, når vi studerer fjerne stjerner og galakser,« forklarer Peter Laursen, som er teoretisk astrofysiker og medforfatter til det nye studie.

Med James Webb teleskopet, som blev sendt ud i rummet i 2021, kan forskerne i dag kigge endnu længere væk – og dermed endnu længere tilbage i tiden – end hvad der før har været muligt.

Hvorfor er det interessant?

Det særlige ved det nye studie er, at forskerne ikke alene kan se lyset fra nogle af de allertidligste galakser i universets historie, men de kan ydermere se, at galakserne er i færd med at blive dannet – og få informationer om, hvordan dannelsen af galakserne sker.

»Du kan sammenligne det med at kigge på sommerfugle. Hidtil har vi studeret en masse sommerfugle i forskellige farver og størrelser for at prøve at forstå, hvor de kommer fra. Selve puppen, hvor sommerfuglene blev lavet, har kun været teoretisk forudsagt indtil nu,« siger Kasper Elm Heintz.

»Men nu kan vi for første gang kigge ind i puppen og direkte se, hvordan sommerfuglene bliver skabt. Vi kigger på selve dannelsen af galakserne, mens den sker.«

Hvorfor er det interessant?

»Det er jo et af de helt store spørgsmål her i livet; hvor kommer vi fra i meget bred forstand? Hvordan er vi nået hertil? Dannelsen af stjerner og galakser er helt centralt for universets og vores historie,« siger Kasper Elm Heintz og fortsætter:

»Vi har en masse teorier og computersimulationer, som fortæller os om, hvordan det skete, men nu kan vi pludselig begynde at måle og observere om teorierne er rigtige.«

Bekræfter teorier

For Peter Laursen, som er en af teoretikerne på studiets forfatterliste, er det mest spændende ved studiet netop også, at »det bekræfter vores teorier om, hvordan stjerner og galakser bliver dannet.«

Den fremherskende teori lyder i temmelig grove træk, at universet tog sin begyndelse for cirka 13,8 milliarder år siden. Med det såkaldte Big Bang, hvor universet begyndte at udvide sig.

Det nye studie kommer ind i billedet cirka 400-600 millioner år efter Big Bang. Altså dengang universet stadig var ganske ungt, en stor baby.

På det tidspunkt var dannelsen af de første stjerner og galakser allerede gået i gang. Teorien lyder, at det skete ved, at gas begyndte at klumpe sig sammen til større og større klumper, som til sidst samlede sig og blev til stjerner, forklarer Peter Laursen.

»I begyndelsen – før de første stjerner blev skabt – var gassen jævnt fordelt over hele universet. Men nogle steder var der lidt større klumper af gas, og klumperne begyndte at trække mere og mere gas til sig ved hjælp af tyngdekraften,« forklarer Peter Laursen fra Cosmic Dawn Center på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

»Derfor blev klumperne større og større, og på et tidspunkt blev de tilstrækkeligt store og tætte til at begynde at danne stjerner og senere galakser.«

Finder 'missing link'

I det nye studie observerer forskerne tre helt unge galakser, som altså er i færd med at blive dannet i perioden 400-600 millioner år efter Big Bang.

De tre galakser slår ikke rekorden, som de tidligst observerede galakser – rekorden indehaves af nogle galakser, som er observeret 300-500 millioner år efter Big Bang, også af James Webb.

Det særlige ved studiet er derimod, at forskerne er i stand til at måle, at der findes store mængder af gas – brintgas – rundt om de unge galakser. Forskerne observerer altså den kolde brintgas, som ifølge teorierne skal blive til byggesten for stjerner og galakser.

»Det er de første direkte målinger af denne her tidlige gas, og vores målinger tyder på, at gassen kan samle sig hurtigere og danne de allerførste stjerner mere effektivt, end vi troede,« siger Kasper Elm Heintz.

»Tidligere har vi vidst, at der efter Big Bang blev efterladt en masse kold brintgas og en smule helium. Og senere kan vi altså se, at der er dannet en masse stjerner og galakser. Men hvordan går vi fra at have en kold brintgas til at have stjerner og galakser? Det har været et missing link, som vi nu har fundet.«

Den britiske astrofysiker Sandro Tacchella, som ikke har været en del af det nye studie, understreger netop også, at de nye resultater hjælper os med at forstå, hvordan galakser i det tidlige univers blev dannet.

»Resultaterne udgør et vigtigt led i forståelsen af, hvordan galakser vokser. De understøtter det overordnede billede af, at galakser i det tidligere univers voksede meget hurtigt ved at danne nye stjerner fra nyligt ophobet gas,« skriver Sandro Tacchella, som er lektor i astrofysik ved Kavli Institute for Cosmology på University of Cambridge i en e-mail til Videnskab.dk

Vild epoke i Universets historie

Netop den epoke, som forskerne observerer i det nye studie, er også interessant, fordi universet på denne tid var i færd med at gennemgå en anden voldsom forandring – en proces, som forskerne kalder for universets ’reionisering’.

Det handler kort fortalt om, at brintgassen, som var spredt udover hele universet – og som var i færd med at danne stjerner og galakser – tidligere havde været neutral. Brintatomerne i gassen havde altså haft en neutral elektrisk ladning.

Men i løbet af en vis periode ændrer det sig. Brintatomerne bliver med tiden ioniseret – det vil sige, at de bliver splittet ad, og dermed får brintgassen en elektrisk ladning, forklarer Peter Laursen.

»Inden reioniseringen kunne en stor del af lyset fra galakserne ikke trænge gennem universet. Man kan sige, at det simpelthen var for tåget. Men efter reioniseringen bliver universet gennemsigtigt, og vi får lettere ved at se galakserne,« siger han og fortsætter:

»Derfor er reioniseringen en vigtig epoke, og det er et kæmpe forskningsfelt at forsøge at forstå, hvornår, hvor og hvorfor reioniseringen begynder at ske.«

Hvad forårsager reioniseringen?

I de senere år er mange reioniserings-forskere ifølge Peter Laursen blevet enige om, at det er stjernernes fortjeneste, at brintgassen i universet gennemgår den store forandring.

»Stjernerne udsender stråling, som rammer brintgassen og ioniserer den. Det begynder allerede at ske et par 100 millioner år efter Big Bang og efter en milliard år er forandringen i hvert fald fuldendt, men vi ved meget lidt om, hvad der sker,« fortæller Peter Laursen.

Den epokegørende ændring af universet gør sig stadig gældende i dag. I mellemrummet mellem galakserne – det intergalaktiske rum – er brintgasserne fortsat ioniserede.

»Det menes, at det var de første stjerner og galakser, som påbegyndte forandringen (reioniseringen, red.)« skriver den amerikanske professor Claudia Scarlata, som ikke har været involveret i det nye studie, men som har skrevet en kommentar til det i Science.

Men hun påpeger, at det nye studie altså »udfordrer« teorierne om, hvilken rolle de tidlige galakser spillede for reioniseringen.

Et problem eller ej?

Udfordringen skyldes, at de tre galakser, som studeres i det nye studie, har en kæmpe mængde af neutral gas omkring sig – gas, som de altså bruger til at danne nye stjerner og vokse sig større. Men gas-tågen omkring galakserne er så tyk og tæt, at stråling fra stjernerne ikke kan nå igennem den.

Dermed kan strålingen heller ikke nå ud til den anden side og ionisere den omkringliggende intergalaktiske gas, sådan som teorien om reioniseringen ellers foreskriver, forklarer Claudia Scarlata fra University of Minnesota.

»Det rejser spørgsmålet om, hvilken rolle galakser spiller i forhold til reioniseringen. Hvorvidt det er et problem eller ej, må vi fortsat vente med at finde ud af,« slutter hun.