Ein einzigartiges neues Instrument in Kombination mit einem leistungsstarken Teleskop und ein wenig Hilfe aus der Natur hat den Forschern einen Blick in die galaktische Kinderstube im Herzen des jungen Universums ermöglicht. Nach dem Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren war das frühe Universum mit riesigen Wolken neutralen diffusen Gases gefüllt, die als zerfallende Lyman-α-Systeme oder DLAs bekannt sind. Diese DLAs dienten als galaktische Kinderstuben, da die darin enthaltenen Gase langsam kondensierten und so die Bildung von Sternen und Galaxien förderten. Sie können auch heute noch beobachtet werden, aber es ist nicht einfach. „DLA-Wolken sind der Schlüssel zum Verständnis, wie sich Galaxien im Universum bilden, aber sie sind normalerweise schwer zu beobachten, weil die Wolken zu diffus sind und selbst kein Licht emittieren“, sagten die Wissenschaftler, nämlich Rongmon Bordoloy, außerordentlicher Professor für Physik in North Carolina Staatliche Universität und Autorenforschung.
Derzeit verwenden Astrophysiker Quasare – supermassive Schwarze Löcher, die Licht aussenden – als „Hintergrundlichter“, um DLA-Wolken zu erkennen. Und während diese Methode es Forschern ermöglicht, die Position von DLAs genau zu bestimmen, wirkt das Licht der Quasare wie winzige Spieße durch die massive Wolke, was Versuche erschwert, ihre Gesamtgröße und -masse zu messen.
Ale Bordoloy und John O'Meara, Chefwissenschaftler am U.M. Observatorium. Keka in Kamuel, Hawaii, fand einen Weg, dieses Problem zu umgehen, indem er eine Galaxie mit Gravitationslinse und Integralfeldspektroskopie verwendete, um zwei DLAs und die Galaxien in ihnen zu beobachten, die sich vor etwa 11 Milliarden Jahren kurz nach dem Urknall bildeten.
„Galaxien mit Gravitationslinsen sind Galaxien, die länglich und hell erscheinen“, sagt Bordoloy. „Das liegt daran, dass sich vor der Galaxie eine gravitativ massive Struktur befindet, die das von ihr kommende Licht verzerrt, wenn sie sich auf uns zubewegt. Als Ergebnis betrachten wir eine vergrößerte Version des Objekts – es ist, als würde man ein Weltraumteleskop verwenden, das heranzoomt und uns eine bessere Visualisierung ermöglicht.“
Dies hat zwei Vorteile: Erstens wird das Hintergrundobjekt durch den Himmel verlängert und hell, sodass es einfach ist, spektrale Messwerte von verschiedenen Teilen des Objekts zu erfassen. Zweitens können sehr kleine Teile untersucht werden, da die Linsen das Objekt erweitern. Wenn ein Objekt beispielsweise einen Durchmesser von einem Lichtjahr hat, können wir kleine Stücke mit sehr hoher Präzision untersuchen.
Spektralmessungen ermöglichen es Astrophysikern, Elemente des Weltraums zu „sehen“, die mit bloßem Auge unsichtbar sind, wie z. B. diffuse gasförmige DLAs und potenzielle Galaxien in ihnen. Normalerweise ist das Sammeln von Beweisen ein langwieriger und mühsamer Prozess. Aber Wissenschaftler lösten dieses Problem, indem sie integrale Spektroskopie mit dem Keck Cosmic Web Imager durchführten.
Die Integralfeldspektroskopie ermöglichte es den Forschern, das Spektrum an jedem einzelnen Pixel im Bereich des Himmels zu erhalten, auf den es gerichtet war, was die Spektroskopie eines ausgedehnten Objekts am Himmel sehr effizient machte. Diese Innovation, kombiniert mit der länglichen und hellen Galaxie mit Gravitationslinse, ermöglichte es dem Team, das diffuse Gas der DLA mit hoher Präzision über den Himmel zu kartieren. Mit dieser Methode konnten die Forscher nicht nur die Größe der beiden DLAs bestimmen, sondern auch, dass sie Wirtsgalaxien enthalten.
„Auf diese Kombination habe ich fast meine ganze Karriere gewartet: ein Teleskop und Instrument, das stark genug ist, und die Natur, die uns ein bisschen Glück gibt, um nicht nur eine, sondern zwei DLAs auf neue Weise zu untersuchen“, sagten die Wissenschaftler. "Es ist großartig zu sehen, wie Wissenschaft in die Praxis umgesetzt wird."
Übrigens, DLA ist riesig. Mit einem Durchmesser von mehr als 17,4 Kiloparsec sind sie mehr als zwei Drittel so groß wie die moderne Milchstraße. Zum Vergleich: Vor 13 Milliarden Jahren betrug der Durchmesser einer typischen Galaxie weniger als 5 Kiloparsec. Ein Parsec sind 3,26 Lichtjahre und ein Kiloparsec sind 1000 Parsec, also braucht Licht etwa 56 Jahre, um durch jede DLA zu reisen.
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