Warum sieht das frühe Universum so ausgereift aus?

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Bis jetzt konnten Astronomen nicht viele Daten darüber finden, was in einer frühen Phase der Evolution des Universums passiert ist, als man glaubte, dass die Sterne gebildet wurden. Neue Forschungen, die von Astronomen am Gemini-Observatorium in Chile durchgeführt wurden, haben jedoch vor 8 bis 11 Milliarden Jahren mehrere Galaxien entdeckt, die vollständiger als erwartet gebildet sind. Sie dachten, sie würden Protogalaxien ineinander krachen sehen, aber stattdessen fanden sie sehr reife Galaxien. Es ist möglich, dass Schwarze Löcher im frühen Universum viel häufiger waren und als Anker dienten, um schnell Galaxien zu bilden.

Bis jetzt waren Astronomen fast blind, als sie in die Vergangenheit blickten, um eine Ära zu überblicken, in der sich die meisten Sterne im Universum voraussichtlich gebildet haben. Dieser kritische kosmologische blinde Fleck wurde von einem Team, darunter ein britischer Wissenschaftler, mit dem Frederick C. Gillett Gemini-Nordteleskop entfernt. Dies zeigt, dass sich viele Galaxien im jungen Universum vor 8 bis 11 Milliarden Jahren nicht wie erwartet verhalten.

Die Überraschung: Diese Galaxien scheinen in diesem frühen Stadium der Evolution des Universums vollständiger geformt und reifer zu sein als erwartet. Dieser Befund ähnelt einem Lehrer, der in ein Klassenzimmer geht und erwartet, einen Raum voller widerspenstiger Teenager zu begrüßen und gepflegte junge Erwachsene zu finden.

"Die Theorie sagt uns, dass diese Epoche von kleinen Galaxien dominiert werden sollte, die zusammenbrechen", sagte Dr. Roberto Abraham (Universität von Toronto), Co-Principal Investigator des Teams, das die Beobachtungen bei Gemini durchführt. „Wir sehen, dass ein großer Teil der Sterne im Universum bereits vorhanden ist, als das Universum noch recht jung war, was nicht der Fall sein sollte. Dieser Blick in die Vergangenheit zeigt ziemlich deutlich, dass wir überdenken müssen, was während dieser frühen Epoche in der galaktischen Evolution passiert ist. Die Theoretiker werden definitiv etwas zum Nagen haben! “

Die Ergebnisse wurden heute auf dem 203. Treffen der American Astronomical Society in Atlanta, Georgia, bekannt gegeben. Die Daten werden in Kürze der gesamten astronomischen Gemeinschaft zur weiteren Analyse zur Verfügung gestellt, und vier Artikel stehen kurz vor dem Abschluss und werden im Astrophysical Journal und im Astronomical Journal veröffentlicht.

Dr. Isobel Hook, Leiter der britischen Gemini Support Group an der Universität Oxford, ist Mitglied des multinationalen Gemini Deep Deep Survey (GDDS) -Teams, das die Untersuchung durchgeführt hat. Sie erklärt, wie die Technik funktioniert. Das Team verwendete eine spezielle Technik, um das schwächste galaktische Licht einzufangen, das jemals in den Regenbogen von Farben zerlegt wurde, der als Spektrum bezeichnet wird. Insgesamt wurden Spektren von über 300 Galaxien gesammelt, von denen sich die meisten in der sogenannten „Rotverschiebungswüste“ befinden, einer relativ unerforschten Periode des Universums, die von Teleskopen aus einer Zeit betrachtet wurde, als das Universum nur 3-6 Milliarden Jahre alt war alt.

Sie fügt hinzu: Diese Spektren stellen die vollständigste Probe dar, die jemals von Galaxien in der Rotverschiebungswüste erhalten wurde. Durch die Erfassung großer Datenmengen aus vier weit voneinander entfernten Feldern liefert diese Umfrage die statistische Grundlage, um Schlussfolgerungen zu ziehen, die aufgrund früherer Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops, des Keck-Observatoriums, des Subaru-Teleskops und des Very Large Telescope im letzten Jahrzehnt vermutet wurden.

Das Studium der schwachen Galaxien in dieser Epoche, als das Universum nur 20-40% seines gegenwärtigen Alters betrug, stellt die Astronomen vor eine gewaltige Herausforderung, selbst wenn sie die Lichtsammelkapazität eines sehr großen Teleskops wie Gemini North mit seinem 8-Meter-Spiegel nutzen. Alle früheren Galaxienuntersuchungen in diesem Bereich haben sich auf Galaxien konzentriert, in denen eine intensive Sternentstehung stattfindet, was das Erhalten von Spektren erleichtert, aber eine voreingenommene Probe erzeugt. Das GDDS war in der Lage, eine repräsentativere Stichprobe auszuwählen, einschließlich der Galaxien mit den meisten sternnormalen, dunkleren und massereicheren Galaxien, die spezielle Techniken erfordern, um ein Spektrum aus ihrem schwachen Licht herauszuholen.

„Die Gemini-Daten sind die umfassendste Umfrage, die jemals durchgeführt wurde und den Großteil der Galaxien abdeckt, die die Bedingungen im frühen Universum darstellen. Dies sind die massiven Galaxien, die aufgrund ihres Mangels an energetischem Licht aus der Sternentstehung tatsächlich schwieriger zu untersuchen sind. Diese hoch entwickelten Galaxien, deren sternbildende Jugend eigentlich schon lange nicht mehr existiert, sollten einfach nicht da sein, sondern sind es “, sagte Co-Principal Investigator Dr. Karl Glazebrook (Johns Hopkins University).

Astronomen, die versuchen, dieses Problem zu verstehen, müssen möglicherweise alles auf den Tisch legen. "Es ist unklar, ob wir die vorhandenen Modelle optimieren oder ein neues entwickeln müssen, um diesen Befund zu verstehen", sagte der dritte Co-Principal Investigator der Umfrage, Dr. Patrick McCarthy (Observatorien der Carnegie Institution). „Aus den Gemini-Spektren geht klar hervor, dass es sich tatsächlich um sehr reife Galaxien handelt, und wir sehen die Auswirkungen der Staubverdunkelung nicht. Offensichtlich gibt es einige wichtige Aspekte im frühen Leben von Galaxien, die wir einfach nicht verstehen. Es ist sogar möglich, dass Schwarze Löcher viel allgegenwärtiger waren als wir im frühen Universum dachten und eine größere Rolle bei der Entstehung der frühen Galaxienbildung spielten. “

Was wohl die dominierende galaktische Evolutionstheorie ist, postuliert, dass die Population von Galaxien in diesem frühen Stadium von evolutionären Bausteinen dominiert werden sollte. Passenderweise als hierarchisches Modell bezeichnet, sagt es voraus, dass normale bis große Galaxien, wie die in dieser Arbeit untersuchten, noch nicht existieren und sich stattdessen aus lokalen Bienenstöcken bilden würden, in denen große Galaxien wuchsen. Die GDDS zeigt, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist.

Die Spektren dieser Untersuchung wurden auch verwendet, um die Verschmutzung des interstellaren Gases durch schwere Elemente (sogenannte „Metalle“) zu bestimmen, die von Sternen erzeugt werden. Dies ist ein Schlüsselindikator für die Geschichte der Sternentwicklung in Galaxien. Sandra Savaglio (Johns Hopkins University), die diesen Aspekt der Forschung untersuchte, sagte: „Unsere Interpretation des Universums wird stark von der Art und Weise beeinflusst, wie wir es beobachten. Da die GDDS sehr schwache Galaxien beobachtete, konnten wir das interstellare Gas auch dann nachweisen, wenn es teilweise durch Staub verdeckt war. Bei der Untersuchung der chemischen Zusammensetzung des interstellaren Gases haben wir festgestellt, dass die Galaxien in unserer Untersuchung metallreicher sind als erwartet. “

Der Caltech-Astronom Dr. Richard Ellis kommentierte: „Die Gemini Deep Deep Survey ist sowohl technisch als auch wissenschaftlich eine sehr bedeutende Leistung. Die Umfrage hat eine neue und wertvolle Zählung von Galaxien während einer Schlüsselperiode in der kosmischen Geschichte geliefert, die bisher schwer zu untersuchen war, insbesondere für die ruhende Komponente der Galaxienpopulation. “

Beobachtungen in der Rotverschiebungswüste haben moderne Astronomen im letzten Jahrzehnt frustriert. Während Astronomen gewusst haben, dass es in der Rotverschiebungswüste viele Galaxien geben muss, ist es nur eine "Wüste", weil wir von vielen keine guten Spektren erhalten konnten. Das Problem liegt in der Tatsache, dass wichtige spektroskopische Merkmale, die zur Untersuchung dieser Galaxien verwendet wurden, aufgrund der Ausdehnung des Universums auf einen Teil des optischen Spektrums, der einem schwachen, natürlichen, undurchsichtigen Leuchten in der Nachtatmosphäre der Erde entspricht, rot verschoben wurden.

Um dieses Problem zu lösen, wurde beim Gemini-Teleskop eine ausgefeilte Technik namens „Nod and Shuffle“ verwendet. „Mit der Nod and Shuffle-Technik können wir das schwache natürliche Leuchten des Nachthimmels abschöpfen, um die schwachen Spektren der darunter liegenden Galaxien zu enthüllen. Diese Galaxien sind über 300-mal schwächer als dieses Himmelslicht “, erklärt Dr. Kathy Roth, eine Astronomin bei Gemini, die ebenfalls Teil des Teams war und einen Großteil der Daten erhielt. "Es hat sich als äußerst effektive Methode erwiesen, das" Rauschen "oder die Kontaminationswerte, die im Signal eines elektronischen Lichtdetektors enthalten sind, radikal zu reduzieren."

Jede Beobachtung dauerte ungefähr 30 Stunden und erzeugte gleichzeitig fast 100 Spektren. Das gesamte Projekt benötigte insgesamt über 120 Stunden Teleskopzeit. "Dies ist eine Menge wertvoller Zeit am Himmel, aber wenn man bedenkt, dass es uns ermöglicht hat, eine entscheidende Lücke von 20% in unserem Verständnis des Universums zu schließen, war es gut investierte Zeit", fügt Dr. Glazebrook hinzu, der sich entwickelt hat die Verwendung von Nod and Shuffle mit Joss Hawthorn für schwache Galaxienbeobachtungen vor einigen Jahren am anglo-australischen Observatorium.

Frühere Studien in der Rotverschiebungswüste haben sich auf Galaxien konzentriert, die nicht unbedingt repräsentativ für Mainstream-Systeme waren. Für diese Studie wurden Galaxien sorgfältig auf der Grundlage von Daten aus der Las Campanas-Infrarotuntersuchung ausgewählt, um sicherzustellen, dass stark ultraviolett emittierende Starburst-Galaxien nicht überabgetastet wurden. "Diese Studie ist insofern einzigartig, als wir das rote Ende des Spektrums untersuchen konnten, und dies sagt uns etwas über das Alter alter Sterne", sagt Dr. Abraham. „Wir haben mit Gemini ungefähr zehnmal so lange Belichtungen durchgeführt wie mit typischen Belichtungen. Dies lässt uns viel schwächere Galaxien betrachten, als dies normalerweise der Fall ist, und uns auf den Großteil der Sterne konzentrieren, anstatt nur auf die auffälligen jungen. Dies macht es für uns viel einfacher herauszufinden, wie sich die Galaxien entwickeln. Wir raten nicht mehr davon, indem wir junge Objekte untersuchen und davon ausgehen, dass die alten Objekte nicht viel zur Geschichte der Galaxienentwicklung beigetragen haben. Es stellt sich heraus, dass es viele alte Galaxien gibt, aber sie sind wirklich schwer zu finden. "

Originalquelle: PPARC-Pressemitteilung