Föreställ dig, om du så vill, att universum en gång var en mycket smutsigare plats än det är idag. Föreställ dig också att det vi ser omkring oss, ett relativt rent och oförtäckt universum, är resultatet av miljarder år av stjärnor som beter sig som gigantiska himmelska Roombas och städar upp utrymmet runt dem som förberedelse för vår ankomst. Enligt en uppsättning nyligen publicerade kataloger, som beskriver de senaste rönen från ESA:s Herschel Space Observatory , den här beskrivningen är faktiskt ganska passande.
Dessa kataloger representerar arbetet av ett internationellt team på över 100 astronomer som har tillbringat de senaste sju åren med att analysera de infraröda bilder som tagits av Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey (Herschel-ATLAS). Presenterades tidigare i veckan på Nationellt astronomimöte i Nottingham avslöjade den här katalogen att 1 miljard år efter Big Bang såg universum mycket annorlunda ut än det gör idag.
För att sätta denna forskning i sitt sammanhang är det viktigt att förstå det viktiga med infraröd astronomi. Före utplaceringen av uppdrag som Herschel (som lanserades 2009) kunde astronomer inte se en stor del av ljuset som sänds ut av stjärnor och galaxer. Eftersom ungefär hälften av detta ljus absorberades av interstellära dammkorn, var forskning om galaxernas födelse och liv svår.
Men tack vare undersökningar som Herschel ATLAS – liksom NASAs Spitzer rymdteleskop och den Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) – astronomer har kunnat redogöra för denna saknade energi. Och vad de har sett (särskilt från den här senaste undersökningen) har varit ganska anmärkningsvärt, och presenterat ett universum som är mycket tätare än tidigare förväntat.
Konstnärens intryck av Herschel Space Telescope. Kredit: ESA/AOES Medialab/NASA/ESA/STScI
Professor Haley Gomez vid Cardiff University presenterade den här katalogen under den tredje dagen av National Astronomy Meeting (som pågick från 27 juni till 1 juli). Som hon sa till Universe Today via e-post:
'Herschel-undersökningen är den största av himlen i detta speciella infraröda ljus. På grund av detta ser vi sällsynta föremål som vi kanske inte ser på en mindre del av himlen, men vi ser också nu hundratusentals dammiga galaxer, jämfört med de få hundra vi såg i tidigare teleskop. Så det här är en enorm förbättring när det gäller att veta vilka typer av galaxer som finns. Vissa av dessa är så täckta av damm att vi kanske aldrig hade sett dem med hjälp av teleskop för synligt ljus. På grund av det oöverträffade stora området vi har med denna Herschel-undersökning, ser vi också en enorm variation i typen av objekt, från närliggande dammiga stjärnbildande moln, till närliggande dammiga galaxer som Andromeda, till galaxer som sken med sitt infraröda ljus mer än 12 miljarder för flera år sedan. Vi kan också använda den här undersökningen för att förstå strukturen av galaxer i universum – den så kallade kosmiska webben på ett sätt som vi aldrig har kunnat göra i det avlägsna infraröda.
Bilderna de visade gav alla närvarande en glimt av de osedda stjärnorna och galaxerna som har funnits under de senaste 12 miljarder år av kosmisk historia. Sammanfattningsvis har över en halv miljon fjärrinfraröda källor upptäckts av Herschel-ATLAS-undersökningen. Många av dessa källor var galaxer som är nära och liknar vår egen, och som kan detekteras med hjälp av konventionella teleskop.
De andra var mycket mer avlägsna, deras ljus tog miljarder år att nå oss och var skymd av koncentrationer av kosmiskt damm. Den mest avlägsna av dessa galaxer var ungefär 12 miljarder ljusår bort, vilket betyder att de såg ut som de skulle ha sett för 12 miljarder år sedan.
Herschel fig2smallEn illustration av räckvidden för Herschel ATLAS och vilka typer av föremål den har upptäckt. Kredit: Herschel-ATLAS/ESA/ALMA/ NRAO
Ergo vet nu astronomer att för 12 miljarder år sedan (dvs. strax efter Big Bang) var stjärnor och galaxer mycket dammigare än de är nu. De drog vidare slutsatsen att utvecklingen av våra galaxer sedan kort efter Big Bang i huvudsak har varit ett stort saneringsarbete, eftersom stjärnor gradvis absorberade dammet som skymmer deras ljus, vilket gör det till den mer 'synliga' platsen den är idag.
Data som släpptes av undersökningen inkluderar flera kartor och ytterligare filer som beskrevs i en artikel producerad av Dr. Elisabetta Valiante och ett forskarteam från Cardiff University – med titeln ' Herschel-ATLAS Data Release 1 Paper I: Kartor, kataloger och antal räkningar '. Som Dr. Valiante sa till Universe Today via e-post:
'Gas och damm är huvudkomponenterna i stjärnor: de kollapsar för att bilda stjärnor och de kastas ut i slutet av stjärnornas liv. Det intressanta som har upptäckts tack vare Herschel-data är att de två fenomenen inte är i jämvikt. Vi visste att detta var sant för 10 miljarder år sedan, men vi förväntade oss, enligt de nuvarande modellerna, att en viss jämvikt nåddes på senare tid. Istället var mängden damm i galaxer för 5 miljarder år sedan mycket större än den mängd vi ser i galaxer idag: detta var oväntat.'
Tills nyligen skulle en sådan undersökning ha varit omöjlig på grund av att många av dessa infraröda källor skulle ha varit osynliga för astronomer. Anledningen till detta, som avslöjades av undersökningen, var att dessa galaxer var så dammiga att de skulle ha varit praktiskt taget omöjliga att upptäcka med konventionell optik. Dessutom skulle deras ljus ha förstorats gravitationsmässigt av mellanliggande galaxer.
Infraröda bilder (som den som tagits av NASA:s rymdteleskop Spitzer här) visar otaliga stjärnor och galaxer som skyms i synligt ljus av kosmiskt damm. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Undersökningens enorma storlek har också inneburit att förändringar som har skett i galaxer – relativt nyligen i kosmisk historia – kan studeras för första gången. Till exempel visade undersökningen att till och med bara en miljard år i det förflutna, en liten del av universums ålder, bildade galaxer stjärnor i snabbare takt och innehöll mer damm än de gör idag.
Dr. Nathan Bourne – från University of Edinburgh – är huvudförfattare till en annan artikel som beskriver katalogerna. Som han sa till Universe Today via e-post:
'Vi kan tänka på galaxer som stora återvinningsmaskiner. När de bildas samlar de upp gas (mest väte och helium, med spår av litium och ett par andra grundämnen) från universum runt dem, och de förvandlar den till stjärnor. Allt eftersom tiden går pumpar stjärnorna denna gas tillbaka ut i galaxen, in i det interstellära mediet. På grund av kärnprocesserna i stjärnorna anrikas gasen nu av tunga grundämnen (vad vi kallar metaller, även om de inkluderar både metaller och icke-metaller), och några av dessa bildar mikroskopiska fasta dammpartiklar, som ett slags -produkt.
'Men det bildas fortfarande stjärnor, och nästa generationer av stjärnor återvinner detta interstellära material, och nu när det innehåller tunga grundämnen och damm, är det lite annorlunda, och planeter kan också bildas runt de nya stjärnorna, från ansamlingar av detta tunga material. Så om du ser på helheten, när de första galaxerna började bildas inom den första miljarden år efter Big Bang, började de använda upp gasen runt dem, och medan de är aktiva fyller de upp sitt interstellära medium med gas och damm, men i slutet av en galaxs livscykel har den förbrukat all denna gas och damm, och man kan säga att den har rengjort sig själv.”
Katalogen och kartorna över det dolda universum är en triumf för Herschel-teamet. Trots det faktum att den senaste informationen som Herschel-observatoriet fick tillbaka 2013, har kartorna och katalogerna som tagits fram under dess tjänstgöringsår blivit viktiga för astronomer. Förutom att visa universums dolda energi, lägger de också grunden för framtida forskning.
IR-bilder av hela himlen tas av WISE All-Sky Data Release (överst), och en projektion av IR-himlen skapad av bilder tagna av COBE-rymdfarkosten (nederst). Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCLA (överst), NASA/DIRBE Team/COBE/ (nederst)
'Nu måste vi förklara varför det finns damm där vi inte förväntade oss att hitta det.' sa Valiante. 'Och för att förklara detta måste vi ändra våra teorier om hur universum utvecklas. Vår data utgör en utmaning som vi har accepterat, men vi har inte övervunnit den än!”
'[Vi förstår mycket mer om hur galaxer utvecklas', tillade Bourne, 'om när de flesta stjärnorna bildades, vad som händer med gasen och stoftet när galaxer utvecklas, och hur snabbt den stjärnbildande aktiviteten i universum som en helhet har bleknat i den senare hälften av universums historia. Det är rättvist att säga att denna förståelse kommer från att ha en hel uppsättning olika typer av instrument som studerar olika aspekter av galaxer på kompletterande sätt, men Herschel har verkligen bidragit med en stor del av den ansträngningen och kommer att ha ett bestående arv.'
Att säkerställa Herschels bestående arv är ett av huvudmålen med Herschel Extragalactic Project (HELP), som övervakas av EU:s verkställande organ för forskning. Andra projekt de övervakar inkluderar Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey (HerMES), som också släppte undersökningsdata i slutet av förra månaden. Allt detta har satt en bestående prägel på astronomiområdet, trots att Herschel inte längre är i drift. Som professor Gomez sa om Herschel Observatorys bestående bidrag:
'Herschel Space Observatory slutade ta data 2013, men vår förståelse av det dammiga universum har egentligen bara börjat med utgivningen av stora undersökningar och galaxkataloger under de senaste månaderna. I slutändan, när astronomer har gått igenom alla värdefulla data, kommer Herschel att ha gett en bild av det infraröda universum som täcker 1000 kvadratgrader av himlen.'
Implikationerna av dessa fynd kommer sannolikt också att ha en långtgående effekt, allt från kosmologi och astronomi, till att kanske kasta lite ljus över den knepiga Fermi-paradoxen. Kan det vara intelligent liv som uppstod för miljarder år sedan som inte vågade sig till andra stjärnsystem för att de inte kunde se dem? Bara en tanke…
Vidare läsning: Royal Astronomical Society , DETTA