En saknad länk i galaxbildning är hittad

 

Bild: NASA, ESA, CSA, STScI, Rohan Naidu (MIT); Bildbehandling: Joseph DePasquale (STScI).  James Webb Space Telescope visar galaxen MoM-z14 som den såg ut i det avlägsna förflutna, 280 miljoner år efter big bang.

Ett team på 48 astronomer från 14 länder under ledning från University of Massachusetts Amherst har upptäckt en population av dammiga, galaxer där stjärnbildning pågår vid universums yttersta kanter en miljard år efter Big Bang som tros ha inträffat för 13,7 miljarder år sedan.

Galaxerna kan representera en ögonblicksbild i galaxens livscykel, där nyligen upptäckta ultraavlägsna ljusa galaxer bildade för 13,3 miljarder år sedan kopplas samman med tidiga "stilla", (där stjärnor slutat bildas)  galaxer cirka 2 miljarder år efter Big Bang. Upptäckten utmanar nuvarande universumsmodeller. Studien publicerades nyligen i The Astrophysical Journal Letters, och visar ett steg för att revidera kosmisk historia. 

"Min forskning handlar om att försöka identifiera och förstå en population av sällsynta, dammiga stjärnbildande galaxer vilka först upptäcktes i slutet av 1990-talet," beskriver Jorge Zavala, biträdande professor i astronomi vid UMass Amherst och studiens huvudförfattare.

En del av det som gör dessa galaxer så svåra att studera är dammet, som absorberar UV och synligt ljus, vilket i princip gör dem osynliga för teleskop som är beroende av UV och synliga delar av spektrumet.

Men med uppfinningen av submillimeterteleskop, som kan se ljus med längre våglängder, kunde astronomer plötsligt lysa in i de dammiga delarna av universum som tidigare varit mörka för teleskop. När dammet absorberar UV och synligt ljus skapar det också värme  strålande infraröd energi som är synlig för dessa teleskop. Zavala och hans medförfattare förlitade sig på Atacama Large Millimeter/sub Millimeter Array (ALMA)-teleskopet i Chile för att kunna identifiera en population på cirka 400 ljusa, dammiga galaxer. De använde sedan närinfraröda observationer gjorda av NASAs nyligen uppskjutna James Webb Space Telescope för att lokalisera cirka 70 svaglysande dammiga galaxkandidater vid universums kant, varav merparten aldrig tidigare hade setts. Genom att gå tillbaka till ALMA-data och "stapla" observationerna kunde teamet bekräfta att dessa dammiga galaxer bildades för nästan 13 miljarder år sedan.

Även om den tekniska kunskap som krävs för att göra denna upptäckt i sig är nyhet i sig handlar upptäckten mer för vår förståelse av universums historia.

"Dammiga galaxer är massiva galaxer med stora mängder metaller och kosmiskt stoft," beskriver Zavala. "Dessa galaxer är mycket gamla vilket betyder att stjärnor bildades i det tidiga universum, tidigare än vad våra nuvarande modeller förutspår."

Dessutom verkar det som att galaxerna Zavala och hans team hittade är relaterade till två andra uppsättningar av sällsynta, anomala galaxer: de ultraljusa, stjärnbildande galaxer som bildades strax efter Big Bang (nyligen upptäckta av JWST), och mycket äldre, massiva "vilande" galaxer, där det nästan inte bildas stjärnor längre.

"Det är som om vi nu har ögonblicksbilder av livscykeln för dessa sällsynta galaxer," noterar Zavala. Men Mer forskning för att bekräfta  om Zavalas och hans teams hypotes stämmer, både att våra nuvarande astronomiska modeller av universums bildning saknar något och att stjärnbildningen skedde tidigare i universums utveckling än man tidigare trott.

Zavala påpekar att denna forskning inte hade varit möjlig utan samarbete mellan forskare och institutioner från hela världen, inklusive finansiering från USA:s National Science Foundation.

Hur vatten bildas medan en planet bildas

 

Bilden från wikimedia  visar exoplaneten som kretsar kring den solliknande stjärnan HD 85512 i den sydliga delen av stjärnbilden Seglet. Planeten är en av sexton superjordar som upptäckts av instrumentet HARPS på 3,6-metersteleskopet vid ESO:s La Sillaobservatorium. Planeten är ungefär 3,6 gånger massivare än jorden och finns i utkanten av den beboeliga zonen runt stjärnan. Här kan flytande vatten finnas och kanske  liv

Mer än 6 000 bekräftade exoplaneter har hittats i Vintergatan av dessa är så kallade Sub-Neptunus de vanligaste. Desssa är mindre än Neptunus och men mer massiva än jorden och tros ha stenigt inre med tjocka vätedominerade atmosfärer.

Tidigare forskning av matematiska modeller har visat att interaktioner mellan atmosfäriskt väte och magmahav under planetbildning kan producera betydande mängder vatten. Omfattande experimentella tester av denna föreslagna källa till vatten har dock inte utförts förrän nu.

Miozzi och Shahar (se nedan) ledde ett internationellt team av forskare från Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) och UCLA för att skapa de förhållanden under vilka sådana interaktioner mellan väte i den tidiga atmosfären på en planet tillsammans med järnrik kiseldioxidsmältning representerar den bildande magmaoceanen. Forskarna åstadkom detta genom att komprimera prover upp till nästan 600 000 gånger atmosfärstrycket (60 gigapascal) och värma upp dessa till över 4 000 grader Celsius.

 

Denna experimentella miljö efterliknar en kritisk fas i den steniga planetens evolutionära process. Stenplaneter (som jorden) bildas av den skiva (protoplanetär skiva) av stoft och gas som omger en ung stjärna under perioden efter stjärnans tillblivelse. Materialet samlas till objekt som kraschar in i varandra och blir större och varmare och så småningom smälter till en stor magmaocean. Detta blir blir början till  unga planeter och de är ofta omgivna av ett tjockt hölje av molekylärt väte, H2 (vätgas), kan då fungera som en "termisk filt" som håller magmahavet kvar i miljarder år innan det svalnar.

"Vårt arbete gav de första experimentella bevisen för två kritiska processer från den tidiga planetutvecklingen", säger Mozzi. – Vi visade att en stor mängd väte löses upp i smältan och att betydande mängder vatten skapas genom järnoxidreduktion med molekylärt väte.

Sammantaget visar dessa fynd att stora mängder väte kan lagras i magmahavet medan vatten bildas. Detta har stora konsekvenser för de fysikaliska och kemiska egenskaperna av planetens inre med potentiella effekter även på kärnans utveckling och atmosfärens sammansättning.

Denna nya internationella forsknings resultat är publicerad i Nature av Carnegies av Francesca Miozzi och Anat Shahar från Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) och UCLA .

Så bildades troligast den första kvasaren

 

En kvasar är en extremt ljusstark och från oss avlägsen aktiv galaxkärna. Den överglänser sin galax så mycket, att galaxen vari kvasaren finns inte tidigare har kunnat observeras. Först nu och med hjälp av fotografisk CCD-teknik och adaptiv optik har många galaxer där en kvasar finns kunnat bekräftas existera. Kvasaren är i sig vanligtvis ett förhållandevis litet objekt och flertalet finns på ofantligt stora avstånd från jorden.

Sedan de första kvasarerna upptäcktes för 20 år sedan har det funderats över hur de första kvasarerna i universum bildades. Nu har ett team av astrofysiker förslaget  en lösning på mysteriet och deras resultat publicerades nyligen i en artikel med namnet ”The Turbulent Origins of the First Quasars”  i tidskriften Nature.

Förekomsten av de över 200 kvasarerna som hittills hittats får sin energi av supermassiva svarta hål mindre än en miljard år efter Big Bang. Detta är ett mysterium inom astrofysiken eftersom det aldrig helt förståtts hur de kunnat bildats så tidigt i universums historia.

Forskarteamet under ledning av Dr Daniel Whalen vid University of Portsmouth har nu visat hur de första kvasarerna naturligt bildades under våldsamma, turbulenta förhållandena i de sällsynta gasreservoarer som fanns i det tidiga universum.

Dr Whalen, säger "Denna upptäckt är särskilt spännande eftersom den har omkullkastat 20 års tankar om ursprunget till de första supermassiva svarta hålen i universum. Vi hittar supermassiva svarta hål i centrum av de flesta massiva galaxer. Svarta hål som kan vara miljoner eller miljarder gånger större än solens massa. Men det var först 2003 vi började hitta kvasarer de mycket lysande objekten med dess aktiva accretion 

Detta får kvasarerna att ses som kosmiska fyrar i det tidiga universum existerande mindre än en miljard år efter Big Bang. Ingen förstod hur de bildats så tidigt." 

För några år sedan visade superdatorsimuleringar att tidiga kvasarer kunde bildas vid korsningarna av  kalla, kraftfulla gasströmmar (en sällsynt med likväl ibland händelse som sker eller skredde därute). Cirka ett dussin av dessa fanns i en volym en miljard ljusår. Men för att det skulle ge effekt måste det svarta hålet vara 100000 solmassor. Svarta hål bildas idag när massiva stjärnor får slut på bränsle och kollapsar, men de blir vanligtvis bara 10 - 100 solmassor vilet utesluter dessa som källor till en kvasar.

Kan svarta hål i galaxers kärna som verkar ha funnits redan när galaxen bildades (min anm.) ha bildats genom att ett tidigare universums stjärnor  över eoner dragits in i svarta hål och alla svarta hål  därefter dragits samman till ett enda otroligt kompakt svart hål med fortsatt sammandragning  till en massa vi inte kan förställa oss av kompakthet och litenhet. För att därefter splittras i BigBang och då bildat vårt universum. Medan rester av det förra finns i form av svarta hål i galaxerna. En lite udda tanke.

Astrofysiker hade länge teoretiserat att 10 000 - 100 000 solmassestjärnor bildades i det tidiga universum men bara i exotiska, finjusterade miljöer som starka ultravioletta bakgrunder eller supersoniska flöden mellan gas och mörk materia som inte hade någon likhet med de turbulenta molnen där de första kvasarerna bildades.

Superdatormodellerna gick dock tillbaka till mycket tidiga tider och fann att de kalla, täta gasströmmarna som kunde växa till en miljard solmassor och svarta hål på bara några hundra miljoner år skapade sina egna supermassiva stjärnor utan behov av ovanliga exotiska miljöer. De kalla strömmarna drev turbulens i molnet som hindrade normala stjärnor från att bildas tills molnet blev så massivt att det kollapsade under sin egen vikt och bildade två gigantiska urstjärnor - en som var 30000 solmassor och en annan som var 40000.

"Följaktligen skapade de ursprungliga gasmolnen som kunde bilda en kvasar dessa strax efter kosmos födelse - när de första stjärnorna i universum. Detta enkla resultat förklarar inte bara ursprunget till de första kvasarerna utan också deras demografi och deras antal.

Bild från vikipedia. Kvasaren 3C 273.