ALMA öppnar ögonen

Tim de Zeeuw är generaldirektör för ESO, den europeiska partnern i ALMA.
– Trots att ALMA är i ett tidigt skede i bygget överträffar det redan alla andra submillimeteranläggningar. Att vi kunnat nå denna milstolpe är en hyllning till de ansträngningar gjorts av många forskare och ingenjörer i ALMA:s partnerskapsområden runt om i världen. Det är de som gjort det möjligt, säger han.

ALMA observerar universum i ljus med våglängder som mäts i millimeter och submillimeter. Dessa våglängder är ungefär tusen gånger längre än hos synligt ljus. Genom att använda de längre våglängderna så kan astronomer studera extremt kalla objekt i rymden – till exempel de tätpackade moln av kosmiskt stoft och gas ur vilka stjärnor och planeter bildas – och mycket avlägsna objekt i det tidiga universum.

ALMA skiljer sig fundamentalt från teleskop som observerar i synligt och infrarött ljus. Det består av en uppställning av ihoplänkade antenner som tillsammans bildar ett gigantiskt teleskop, och det detekterar ljus med våglängder som är mycket längre än hos synligt ljus. Därför liknar inte teleskopets bilder de bilder av kosmos som många är vana vid.

Under de senaste månaderna har ALMA-teamet varit upptagna med att testa observatoriets system inför den första omgången av observationer, så kallad “Early Science”. Ett resultat från deras tester är den första bilden som någonsin publicerats från det ännu växande ALMA. Större delen av de observationer som använts för att skapa bilden av Antenngalaxerna är tagna med bara tolv antenner, mycket färre än vad som kommer användas för de första vetenskapliga observationerna. Dessutom var antennerna uppställda mycket närmare varandra. Därför är bilden bara ett smakprov av det som väntar. När observatoriet växer kommer dess bilder bli dramatiskt skarpare, snabbare och bättre allt eftersom fler antenner blir tillgängliga uppställningen blir större [1].

Antenngalaxerna är ett par av kolliderande galaxer som har dramatiskt förvrängda former. Medan det synliga ljuset visar oss galaxernas stjärnor, visar ALMA något som inte kan ses i synligt ljus: de moln av tätpackad kall gas ur vilka nya stjärnor bildas [2]. Det här är den bästa submillimeterbilden av Antenngalaxerna som någonsin gjorts.

Gigantiska ansamlingar av gas finns inte bara i de galaxernas två hjärtan men även i det kaotiska området där kollisionen ännu pågår. Här finns en rik reservoar av material för bildandet av framtida stjärngenerationer: den totala mängden gas uppgår till en miljard gånger solens massa. Observationer som dessa öppnar ett nytt fönster mot universum i submillimetervåglängder och kommer att vara nödvändiga för att vi ska kunna förstå hur galaxkollisioner kan få stjärnor att börja födas. Det här är bara ett exempel på hur ALMA kommer att avslöja delar av universum som inte kan ses med teleskop som observerar i synligt och infrarött ljus.

För de nio månader av ALMA:s “Early Science” som nu börjar kunde bara ett hundratal observationsprojekt accepteras. Trots detta har ivriga astronomer från hela världen skickat in över 900 observationsförslag under de senaste månaderna. Denna rejäla överteckning är rekord för teleskop. De godkända förslagen valdes ut baserat på sina vetenskapliga förtjänster, geografisk spridning samt hur väl de stämmer överens med ALMA:s viktigaste vetenskapliga mål.

Thijs de Graauw är föreståndare för ALMA.

– Just nu lever vi i en oförglömlig tid i vetenskapens och astronomiforskningens historia, till och med i mänsklighetens historia, säger han.

Några svenska projekt har valts ut för ALMA:s Early Science-observationer. Ett av dem leds av Susanne Aalto vid Chalmers Tekniska Högskola.

– Vi studerar gigantiska vindar som blåser rent i galaxers inre. Sådana vindar reglerar både stjärnbildning och hur svarta hål växer. Med ALMA:s känslighet och skärpa kan vi kartlägga unika egenskaper hos dessa kosmiska blåshål och förstå hur de skapas och utvecklas, säger hon.

Målet för dessa tidiga ALMA observationer är en liten oansenlig galax, NGC 1377, som ligger circa 68 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Floden. NGC 1377 verkar ha en vind av gas och stoft som är ovanligt kall.

– Vi misstänker att den ovanliga vinden drivs av ett svart hål i full färd med att växa sig större. Med ALMA kan vi undersöka vinden samtidigt som vi kan skåda in i det mörka stoftinbäddade hjärtat av NGC 1377 med hittills oöverträffad detaljrikedom. Det ger oss en fantastisk möjlighet att ta reda på hur galaktiska vindar kan uppstå, avslutar Aalto.

Ett annat av projekten som valdes ut för Early Science-observationer skickades in av David Wilner från Harvard-Smithsonian-centret för astrofysik i Cambridge, Massachusetts, USA.

– Mitt team letar efter byggklossarna som solsystem byggs av. ALMA är unikt i sin förmåga att kunna hitta dem, säger han.

Målet för hans team är AU Microscopii, en stjärna som bara är en hundradel av solens ålder och som ligger 33 ljusår bort. Wilner och hans team kommer att dela sina data med ett europeiskt team som också ansökte om att få ALMA-observationer av den närbelägna, stoftomringade stjärnan.

– Vi kommer att använda ALMA för att ta bilder av en “födelsering” av planetisemaler som vi tror snurrar runt den här unga stjärnan. Men det är bara med ALMA som vi kan hoppas upptäcka klumpar i dessa stoftrika asteroidbältena. De kan i sin tur peka på förekomsten av osynliga planeter, avslutar Wilner.

Jakten efter beboeliga planeter runt andra stjärnor börjar ofta med att leta vatten i dessa avlägsna solsystem. Debrisskivor, de svärmar av stoft, gas och stenar som omger stjärnor, misstänks även innehålla klippiga isklumpar fyllda med fruset vatten, gas och kanske till och med organiska molekyler - livets astrokemi.

Simon Casassus vid Chiles universitet och hans kollegor kommer att använda ALMA för att observera skivan av gas och stoft kring den unga stjärnan HD 142527, som ligger 400 ljusår bort.

– Den dammiga skivan runt denna stjärna har ett mycket stort glapp, som kan ha mejslats ut när jätteplaneter bildats. Utanför glappet finns tillräckligt med materia i skivan för att bilda ett dussintal planeter i Jupiters storlek. Inuti glappet skulle en ung gasplanet forfarande vara i färd med att bildas, om tillräckligt med materia skulle finnas tillgängligt, säger han.

Med ALMA kommer teamet att mäta hur mycket materia som finns innanför glappet och ta reda på förhållandena där.

- På så sätt ger ALMA oss chansen att observera planetbildning, eller dess omedelbara efterdyningar, säger Casassus.

Längre bort, på 26 000 ljusårs avstånd i mitten av vår galax, finns det supermassiva svarta hålet Sagitttarius A*, som en massa på fyra miljoner gånger solens. Gas och stoft mellan det och oss döljer det från våra optiska teleskop. ALMA är däremot väl lämpat för att kunna se igenom galaxens mörker och göra det möjligt för oss att få glimtar av Sagitttarius A*.

Heino Falcke, astronom vid Radbouduniversitetet i Nijmegen, Nederländerna, förklarar:

– ALMA kommer att göra det möjligt för oss att titta på ljusblixtar från omgivningen av detta supermassiva svarta hål. Dessutom kan vi avbilda gasmolnen som är fångna av dess jättelika tyngdkraft. På så vis kan vi undersöka odjurets slarviga matvanor. Vi tror att en del av gasen uppnår hastigheter nära ljusets och håller på att ta sig ur svarta hålets grepp.

Som de svarta linjerna i ett barns ritbok spårar stoft och kall gas strukturer inuti galaxer även där själva galaxerna inte syns tydligt. Vid det synliga universums ytterkanter ligger mystiska galaxer där stjärnor bildas i ohållbar takt. I dessa ljusa öar i ett annars mörkt och lugnt kosmos kommer ALMA att leta spår av stoft och kall gas. På så sätt undersöker ALMA tiden bara ett par hundra miljoner år efter big bang, som astronomer kallar “den kosmiska gryningen”.

Masami Ouchi vid Tokyos universitet i Japan kommer att använda ALMA för att observera Himiko, en mycket avlägsen galax som varje år skapar stjärnor som motsvarar hundra solar och som omges av en gigantisk, ljus nebulosa.

– Andra teleskop kan inte förklara för oss varför Himiko lyser så starkt och hur det har utvecklat en så stor, het nebulosa då universum omkring det är så lugnt och mörkt. ALMA kan visa oss den kalla gasen där stjärnor bildas djupt inuti Himikos nebulosa. Där kan vi följa rörelse och aktivitet och äntligen få se hur galaxer började bildas i den kosmiska gryningen, säger han.

Medan ALMA:s Early Science-observationer pågår fortsätter bygget högt uppe i de chilenska Anderna, på Chajnantorplatån i den karga Atacamaöknen. Varje ny väderskyddad antenn som tas med i teleskopuppställningen länkas till de andra med fiberoptiska kablar. Det som antennerna ser var för sig kombineras till en enda bild av en av världens snabbaste specialbyggda superdatorer, ALMA-korrelatorn. Den kan utföra 17 biljarder [3] beräkningar per sekund.

År 2013 består ALMA av 66 högprecisionsantenner för millimeter- och submillimeterljus, byggda av ALMA:s multinationella partners i Europa, Nordamerika och Ostasien, uppställda på ett 16 kilometer brett område, som arbetar tillsammans som ett teleskop.

ALMA är en internationell anläggning för astronomi och är ett samarbete mellan Europa, Nordamerika och Ostasien i samverkan med Chile. I Europa stöds ALMA av ESO, i Nordamerika av US National Science Foundation (NSF) i samarbete med Kanadas National Research Council (NRC) samt av Taiwans Nationella vetenskapsråd (NSC), i Ostasien av Nationella instituten för naturvetenskap (NINS) i Japan i samarbete med Academia Sinica (AS) i Taiwan. Bygget och driften av ALMA leds för Europas del av ESO, för Japan av Nationella astronomiska observatoriet i Japan (NAOJ) och för Nordamerika av National Radio Astronomy Observatory (NRAO), som drivs av Associated Universities, Inc. (AUI).

ESO, Europeiska sydobservatoriet, är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 15 länder: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop: VISTA, som observerar infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop, samt VST, det största teleskopet som konstruerats för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO bidrar dessutom till ALMA, ett revolutionerande astronomiskt teleskop och världens hittills största astronomiska projekt. ESO planerar för närvarande bygget av ett europeiskt extremt stort teleskop i 40-metersklass för synligt och infrarött ljus, E-ELT. Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

• ESO:s ALMA-websidor
• Bilder av ALMA
• JAO:s ALMA-websidor
• NRAO:s ALMA-websidor
• NAOJ:s ALMA-websidor
• Lista på de 112 projekt som gavs högsta prioritet under ALMA:s “Early Science”-fas, inklusive titlar, forskare och korta beskrivningar (PDF)