Astronomer tog hjälp av rymdteleskopet Hubble och observerade en galax i en avlägsen region av universum som syns duplicerad 12 gånger på natthimlen. Denna unika syn, skapad av stark gravitationslins, hjälper astronomer att bättre förstå den kosmiska eran av återjonisering.
En gravitationslins är ett astronomiskt fenomen där ljuset från en ljuskälla bryts på dess väg till observatören. Ljusstrålarna från källan böjs om ett väldigt tungt objekt är framför källan, såsom en galaxhop eller svart hål, vilket förvränger och ibland förstorar bilden av själva ljuskällan. Detta fenomen förutspåddes av Orest Chwolson redan 1924 men förknippas vanligen med Albert Einsteins allmänna relativitetsteori och har hjälpt astronomer att se extremt avlägsna astronomiska objekt.
Den bilden som är framtagen med NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble visar ett objekt vars bild är multiplicerad av effekten hos en stark gravitationslins. Galaxen, har det krångliga katalognamnet PSZ1-ARC G311.6602–18.462 men smeknamnet Sunburst Arc (solskensflödesbågen). Den ligger nästan 11 miljarder ljusår bort från jorden. Framför den ligger linsen – en tung galaxhop – som ligger ”bara” 4,6 miljarder ljusår bort.
Galaxhopen är såpass massiv och tung att den kan böja och förstärka ljuset från den mer avlägsna galaxen bakom hopen. Denna process leder inte bara till en deformation av ljuset från objektet, men också att bilden av den linsade galaxen multipliceras och syns på flera ställen.
I fallet med Sunburst Arc-galaxen så ger linseffekten minst 12 bilder av galaxen, utspridda över fyra större bågar. Av dessa bågar är tre synliga i övre högra hörnet av figuren, medan en är synlig i nedre vänstra hörnet. Bilderna är delvis skymda av ljusstarka förgrundstjärnor inom Vintergatan.
Thøger Emil Rivera-Thorsen, postdoktor vid Stockholms universitet är förstaförfattare för studien som nyligen publicerades i tidskriften Science.
– De flesta av bilderna verkar vara förstärkta mellan 10-30 gånger vardera, förklarar han. Förstoringarna låter oss upplösa individuella stjärnbildningshopar, kanske även individuella stjärnhopar på kosmologiska avstånd.
Det finkänsliga rymdteleskopet Hubble använder dessa kosmiska förstoringsglas till att studera annars väldigt ljussvaga och små objekt. Detta tillåter Hubble att se strukturer så små som 520 ljusår stora, vilket är en sällsynt detaljerad observation för ett sådant avlägset objekt. Detta jämförs hyfsat väl med stjärnbildande regioner hos närbelägna galaxer, vilket gör att astronomer kan studera galaxen och dess omgivning i stor detalj, och på så vis se det ”läckage” av joniserande ljus som utströmmar från galaxen.
– Den största fördelen från detta specifika fall är att den joniserande strålningen markerar tolv olika vägar genom den intergalaktiska rymden. Eftersom alla tolv bilderna kommer från samma källa, så måste de skillnader i absorption ske mellan galaxen och oss här, berättar Thøger Emil Rivera-Thorsen.
– Vi ser även att den joniserande strålningen kommer från en väldigt liten del av galaxen, medan resten av galaxen strålar ut väldigt lite, om ens alls. Utan gravitationslinsen skulle vi inte kunna se detta. Vid dessa rödförskjutningar skulle vi bara se en fläck ovanpå en lite större fläck, säger han.
Hubbles observationer visade att Sunburst Arc-galaxen är en analog av galaxer som fanns för länge sedan i ett tidigare skede i universum, en period som är känt som återjoniseringens tidsålder.
Det är en period mellan 500 miljoner år och en miljard år efter big bang, då det intergalaktiska mediet övergick från att vara neutralt till joniserat.
– Vi vet att unga stjärnor i de första galaxerna förmodligen orsakade återjoniseringen. Men dessa galaxer innehåller mycket neutralt väte som effektivt absorberar de joniserande fotonerna.
Här återstår många frågor, menar Thøger Emil Rivera-Thorsen.
– Hur kommer det sig att detta ljus undkommer galaxen så att det kan jonisera intergalaktiska rymden? Sunburst Arc-galaxen är det första direkta observationsbeviset på ett sätt hur strålningen flyr galaxen, vilket har förutspåtts teoretiskt tidigare. Vi vet att det är superovanligt i vår del av universum, och inte så vanligt även vid tiden tå ljus strålades ut. Men är det mer vanligt vid även tidigare epoker?
Thøger Emil Rivera-Thorsen har skrivit mer om om Sunburst Arc-galaxen i en tråd på Twitter: https://twitter.com/thoeger/status/1192710429098807297
