Danske forskere ser 13 milliarder år tilbake i tid og gjør en «fantastisk» oppdagelse

Tenk deg å kunne se tilbake i tid, ikke bare millioner, men milliarder av år. Lenge før tippoldefaren din, dinosaurene, jorden, månen og solen vår ble skapt.

Hvordan så universet ut den gang?

I en ny studie har et dansk forskerteam brukt det svært avanserte James Webb-romteleskopet til å se mer enn 13 milliarder år tilbake i tid. De har klart å observere dannelsen av noen av de tidligste galaksene i universets historie.

– Dette er første gang du kan se den faktiske dannelsen av de aller tidligste babygalaksene, sier Kasper Elm Heinz, assisterende professor ved Cosmic Dawn Centre ved Københavns Universitet. – Det er ganske fantastisk.

Heinz er hovedforsker bak den nye studien, som nettopp er publisert i tidsskriftet Science.

Ser de virkelig tilbake i tid?

Det høres kanskje sprøtt ut at forskere er i stand til å se milliarder av år tilbake i tid. Men for astronomer er det faktisk helt naturlig å studere hendelser som skjedde i en fjern fortid.

Når stjerner og galakser befinner seg svært langt unna oss på jorden, kan det ta millioner – eller milliarder – av år før lyset når oss.

– Jo lenger unna en stjerne er fra oss, jo lenger må stjernens lys reise gjennom verdensrommet før vi kan se det. På denne måten ser vi tilbake i tid når vi studerer fjerne stjerner og galakser, forklarer Peter Laursen, astrofysiker og en av forskerne bak den nye studien.

Med James Webb-teleskopet, som ble skutt opp i rommet i 2021, kan forskerne nå se enda lenger unna – og dermed enda lenger tilbake i tid – enn det som tidligere har vært mulig.

Hvorfor er dette interessant?

Det spesielle med den nye studien er at forskerne ikke bare kan se lyset fra noen av de tidligste galaksene i universets historie, men at de også kan se at galaksene er i ferd med å dannes – og få informasjon om hvordan galaksene dannes.

– Du kan sammenligne det med å se på sommerfugler. Så langt har vi studert mange sommerfugler i ulike farger og størrelser for å prøve å forstå hvor de kommer fra. Selve puppen, der sommerfuglene ble til, har vi til nå bare kunnet forutsi teoretisk, sier Kasper Elm Heintz.

– Men nå kan vi for første gang se inn i puppen og se direkte hvordan sommerfuglene blir til. Vi ser på den faktiske dannelsen av galakser mens den skjer.

– Hvorfor er dette interessant?

– Det er et av de store spørsmålene i livet: Hvor kommer vi fra? Hvordan havnet vi her? Dannelsen av stjerner og galakser er en sentral del av universets historie, sier Heintz.

– Vi har mange teorier og datasimuleringer som forteller oss hvordan det skjedde, men nå kan vi plutselig begynne å måle og observere om teoriene stemmer.

Bekrefter teorier

For Peter Laursen, en av teoretikerne på studiens forfatterliste, er det mest spennende med studien at «den bekrefter teoriene våre om hvordan stjerner og galakser blir dannet».

Den rådende teorien er at universet begynte for omtrent 13,8 milliarder år siden. Med det såkalte Big Bang begynte universet å utvide seg.

Den nye studien kommer inn i bildet om lag 400–600 millioner år etter Big Bang. Da var universet fortsatt ganske ungt.

På den tiden hadde de første stjernene og galaksene blitt til. Teorien er at dette skjedde da gassen begynte å samle seg til større og større klumper, som til slutt ble til stjerner, forklarer Peter Laursen.

– I begynnelsen, før de første stjernene ble skapt, var gassen jevnt fordelt i hele universet. Men noen steder var det litt større klumper av gass, og klumpene begynte å tiltrekke seg mer og mer gass ved hjelp av tyngdekraften, forklarer Laursen, som arbeider ved Cosmic Dawn Centre ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

– Resultatet var at klumpene ble større og større, og til slutt ble de store nok til å begynne å danne stjerner og senere galakser.

James Webb-teleskopet flyr rundt i verdensrommet og gjør observasjoner av universet. Det avanserte teleskopet ble skutt opp i 2021 og har allerede ført til en rekke oppdagelser. (Illustrasjon: Nasa)

Finner «the missing link»

I den nye studien observerer forskerne tre svært unge galakser som er i ferd med å dannes i perioden 400–600 millioner år etter Big Bang.

De tre galaksene slår ikke rekorden som de tidligst observerte galaksene – rekorden er 300–500 millioner år etter Big Bang.

Det spesielle er at forskerne har klart å måle at det finnes store mengder gass – hydrogengass – rundt de unge galaksene. De ser den kalde hydrogengassen som ifølge teorien blir byggesteinene til stjerner og galakser.

– Dette er de første direkte målingene av denne tidlige gassen, og målingene våre tyder på at gassen kan akkumuleres raskere og danne de aller første stjernene mer effektivt enn vi trodde, sier Kasper Elm Heintz.

– Tidligere visste vi at det etter Big Bang ble etterlatt mye kald hydrogengass og noe helium. Og senere kan vi se at det ble dannet mange stjerner og galakser. Men hvordan går vi fra å ha kald hydrogengass til å ha stjerner og galakser? Dette har vært en «missing link» som vi nå har funnet.

Den britiske astrofysikeren Sandro Tacchella, som ikke var en del av den nye studien, understreker at de nye resultatene hjelper oss med å forstå hvordan galaksene i det tidlige universet ble dannet.

– Resultatene er et viktig skritt i retning av å forstå hvordan galakser vokser. De støtter bildet av at galaksene i det tidlige universet vokste svært raskt ved å danne nye stjerner fra nylig opphopet gass, skriver Sandro Tacchella, førsteamanuensis i astrofysikk ved Kavli Institute for Cosmology ved University of Cambridge, i en e-post til Videnskab.dk.

Vill epoke i universets historie

Epoken som forskerne observerer i den nye studien, er også interessant fordi universet på dette tidspunktet gjennomgikk en annen voldsom forandring – en prosess forskerne kaller «re-ionisering» av universet.

Hydrogengassen som var spredt utover universet – og som dannet stjerner og galakser – tidligere hatt en nøytral elektrisk ladning.

Men over tid endrer dette seg: hydrogenatomene blir ionisert, det vil si at de splittes fra hverandre, og gassen får en elektrisk ladning, forklarer Peter Laursen.

– Før reioniseringen kunne ikke lyset fra galaksene trenge ut i universet. Man kan si at det rett og slett var for tåkete. Men etter reioniseringen blir universet gjennomsiktig, og vi kan lettere se galaksene, sier han.

– Derfor er reioniseringen en viktig epoke, og det er et enormt forskningsfelt å prøve å forstå når, hvor og hvorfor reioniseringen begynner å skje.

Hva forårsaker reionisering?

Ifølge Peter Laursen har mange reioniseringsforskere de siste årene blitt enige om at det er stjernene som er ansvarlige for den store endringen i hydrogengassen i universet.

– Stjernene sender ut stråling som treffer hydrogengassen og ioniserer den. Dette begynner å skje noen hundre millioner år etter Big Bang, og etter en milliard år er forandringen fullstendig, men vi vet veldig lite om hva som skjer, sier Laursen.

Den epokegjørende endringen i universet skjer fortsatt i dag. I rommet mellom galaksene – det intergalaktiske rommet – er hydrogengassene fortsatt ionisert.

– Man tror at det var de første stjernene og galaksene som satte i gang endringen, skriver den amerikanske professoren Claudia Scarlata, som ikke har vært involvert i den nye studien, men som har kommentert den i Science.

Hun påpeker imidlertid at den nye studien utfordrer teoriene om hvilken rolle de tidlige galaksene spilte i reioniseringen.

Et problem eller ikke?

Utfordringen er at de tre galaksene som er studert i den nye studien, har en enorm mengde nøytral gass rundt seg – gass som de bruker til å danne nye stjerner og vokse seg større. Men gassen rundt galaksene er så tykk og tett at strålingen fra stjernene ikke kan passere gjennom den.

Det betyr at strålingen ikke kan nå den andre siden og ionisere den omkringliggende intergalaktiske gassen, slik teorien om reionisering tilsier, forklarer Scarlata, som arbeider ved University of Minnesota.

– Spørsmålet blir da hvilken rolle galaksene spiller når det gjelder reionisering. Om det er et problem eller ikke, må vi vente med å finne ut av, avslutter hun.

Referanse:

Kasper Heinz mfl.: Strong damped Lyman-α absorption in young star-forming galaxies at redshifts 9 to 11. Science, 2024. (Sammendrag) DOI: 10.1126/science.adj034

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.