Fødslen af universets tidligste galakser observeret for første gang

For første gang i astronomiens historie har forskere fra Niels Bohr Institutet bevidnet fødslen af tre af universets absolut tidligste galakser for et sted mellem 13,3 og 13,4 milliarder år siden. 

Opdagelsen er sket gennem rumteleskopet James Webb, som har givet verden de første ’live observationer’ af galakser i færd med at blive dannet. 

Gennem teleskopet kan forskerne se signaler fra store mængder af gas, som samler sig og strømmer ned mod en mini-galakse, der er i gang med at blive opbygget. Og det er ifølge teorierne og computersimuleringer sådan galakser bliver dannet, men det har aldrig været observeret før nu.

”Man kan sige, at det er de første "direkte" billeder af galaksedannelse, vi har set. Hvor James Webb tidligere har vist os tidlige galakser på senere udviklingstrin, bevidner vi her selve deres fødsel og dermed opbygningen af de første stjernesystemer i universet,” siger adjunkt Kasper Elm Heintz fra Niels Bohr Institutet, som har ført an i det nye studie. 

Studiet er i dag udgivet i det ansete videnskabelige tidsskrift Science. 

Galakser født kort efter Big Bang

Forskerne anslår, at fødslen af de tre galakser skete cirka 400-600 millioner år efter Big Bang, eksplosionen der begyndte det hele. Det lyder umiddelbart af mange år, men i universets levetid på 13,8 milliarder år svarer det til, at galakserne blev dannet i løbet af de første cirka tre til fem procent af universets levealder. 

I tiden lige efter Big Bang var universet en kæmpe uigennemsigtig gaståge af brintatomer – modsat i dag, hvor nattehimlen er et lysende gennemsigtigt tæppe af stjerner. 

”Over de næste par hundrede millioner år efter Big Bang blev de første stjerner dannet, og derefter begyndte stjerner og gas at samle sig til galakser. Det er den proces, vi her ser starten på i vores observationer,” forklarer lektor Darach Watson.

Galaksefødslerne foregik i den epoke i universets historie, der kaldes den kosmiske reionisering, hvor energien og lyset fra nogle af de første galakser brød gennem tågerne af brintgas. 

Og det er netop de store mængder brintgas, som forskerne ved hjælp af James Webb-rumteleskopets infrarøde syn har opfanget. Dette er den fjerneste måling af det kolde, neutrale brintgas, som er byggestenene til stjerner og galakserne, som forskere har fundet til dato. 

Gør os klogere på hvor vi kommer fra

Kasper Elm Heintz har udført studiet i tæt samarbejde med bl.a. forskerkollegerne Darach Watson, Gabriel Brammer og PhD studerende Simone Vejlgaard fra Cosmic Dawn Center på Niels Bohr Institutet – et center, der som sit erklærede mål vil undersøge og forstå universets daggry. Et mål, de med det seneste resultat er kommet en hel del tættere på. 

Forskerholdet har allerede søgt om at få mere observationstid med James Webb-rumteleskopet, så de forhåbentlig kan udbygge det nye resultat og blive endnu klogere på den tidligste epoke i galaksers dannelse.

”Lige nu handler det om at kortlægge vores nye observationer af galakser, der bliver dannet, endnu mere detaljeret end før muligt. Samtidig forsøger vi også hele tiden at skubbe grænsen for hvor langt ud i universet vi kan se, og måske kan vi stadig komme endnu længere ud,” siger Simone Vejlgaard.  

Den nye viden bidrager ifølge forskeren med viden som taler ind i et af de mest grundlæggende spørgsmål, vi som mennesker kan stille.

”Et af de mest fundamentale spørgsmål, som vi mennesker altid har stillet er: ’Hvor kommer vi fra?’. Her tilføjer vi endnu en brik til svaret ved at belyse skabelsesøjeblikket af nogle af de første strukturer i universet. En proces, som vi kommer til at undersøge nærmere, indtil vi forhåbentlig kan lægge endnu flere brikker i puslespillet,” slutter lektor Gabriel Brammer. 

Studiet er udført af forskerne Kasper E. Heintz, Darach Watson, Gabriel Brammer, Simone Vejlgaard, Anne Hutter, Victoria B. Strait, Jorryt Matthee, Pascal A. Oesch, Pall Jakobsson, Nial R. Tanvir, Peter Laursen, Rohan P. Naidu, Charlotte A. Mason, Meghana Killi, Intae Jung, Tiger Yu-Yang Hsiao, Abdurro’uf, Dan Coe, Pablo Arrabal Haro, Steven L. Finkelstein, & Sune Toft.

Den danske del af forskningen er finansieret af Danmarks Grundforskningsfond og Carlsbergfondet.

Sådan gjorde de

Forskerne har målt dannelsen af de første galakser ved hjælp af sofistikerede modeller for, hvordan lyset fra galakserne blev absorberet af det neutrale gas, der ligger i -og omkring galaksen. Denne overgang kaldes Lyman-alpha overgangen.

Ved at måle på lyset kunne forskerne udskille gassen fra de nydannede galakser fra den øvrige gas. Målingerne har kun været mulige med James Webb-rumteleskopets meget følsomme, infrarøde, spektropiske egenskaber.

Om universets tidlige år

Universet startede sit liv for cirka 13,8 milliarder år siden i et kæmpe brag – Big Bang. I eksplosionen blev der dannet en overflod af bittesmå partikler mindre end atomer såsom kvarker og elektroner. Disse partikler ’klumpede’ sig sammen og dannede protoner og neutroner, som senere samlede sig til atomkerner. Cirka 380.000 år efter Big Bang begyndte elektroner at gå i kredsløb om atomkerner, og de mest simple af universets atomer blev gradvist dannet.

Efter nogle hundrede millioner år blev de første stjerner formet. Inde i selve stjernerne blev de større og mere komplekse atomer, vi har omkring os, dannet.

Senere samlede stjernerne sig til galakser. De ældste galakser, vi kender, blev formet omkring 3-400 millioner år efter Big Bang. Vores eget solsystem blev til for omkring 4,6 milliarder år siden – mere end 9 milliarder år efter Big Bang.