Pressmeddelande

ALMA utforskar galaxerna i Hubbles Ultra Deep Field

Djupaste kartläggningen hittills av det tidiga universum i millimeterljus

22 september 2016

Flera internationella forskarlag har använt teleskopet ALMA för att utforska den avlägsna avkrok av universum som avslöjades först i Hubbleteleskopets ikoniska bilder från projektet Hubble Ultra Deep Field (HUDF). ALMA:s nya observationer i millimeterljus är betydligt djupare och skarpare än tidigare liknande kartläggningar. Mätningarna visar tydligt hur galaxers stjärnbildningstakt hänger samman med deras totala stjärnmassa. Dessutom avslöjas hur mycket gas som har varit tillgänglig för att bilda stjärnor vid olika tidpunkter. Det ger nya insikter i galaxbildningens “Gyllene tid” för ungefär 10 miljarder år sedan.

De nya forskningsresultaten från ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) publiceras i en serie av artiklar i tidskrifterna Astrophysical Journal och Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. De presenteras också denna vecka på konferensen Half a Decade of ALMA som hålls i Palm Springs, Kalifornien, USA.

År 2004 publicerades nydanande långexponeringar tagna med NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble: Hubbles Ultra Deep Field. Med de spektakulära bilderna uppnådde teleskopet en känslighet som inte tidigare varit möjligt. De visade upp ett zoo av galaxer som syns som de var långt tillbaka i tiden, ända ut till mindre än en miljard år efter big bang. Området observerades flera gånger av både Hubble och andra teleskop och gav oss vår dittills djupaste bild av universum.

Astronomer har nu använt ALMA för att kartlägga detta till synes oansenligt men mycket välstuderade fönster mot det avlägsna universum, denna gång både djupt, skarpt och i ljus med våglängd nära en millimeter [1]. Genom att titta i millimeterljus kan forskare urskilja både den bleka glöden från gasmoln samt det varma stoftet och dammet som lyser inuti galaxerna i det unga universum.

Hittills har ALMA observerat HUDF-fältet i sammanlagt cirka 50 timmar. Det är den längsta tiden som ALMA hittills ägnat åt ett enda ställe på himlen.

Ett av forskarlagen leds av astronomen Jim Dunlop vid Edinburghs universitet, Storbritannien. De använde ALMA för att få fram den första jämndjupa ALMA-bilden av ett område lika stort som HUDF. Med hjälp av dessa mätningar kunde de tydligt matcha galaxerna som de detekterade med objekt som redan setts med både Hubble och andra instrument.

Denna studie visade tydligt att det är stjärnornas totala massa som ger den bästa uppskattningen av hur snabbt en galax kan bilda nya stjärnor. Samtliga galaxer som forskarna upptäckte i mätningarna är tunga [2].

Jim Dunlop, förstaförfattare på artikeln om de djupa bilderna, summerar varför resultaten är viktiga.

– Det här resultatet är ett genombrott. För första gången gör vi en ordentlig koppling mellan Hubbles bild av det avlägsna universum i synligt och ultraviolett ljus med ALMA:s bilder av universum i långvågigt infrarött ljus och millimetervågor, säger han.

Det andra teamet leds av Manuel Aravena vid Núcleo de Astronomía, Diego Portales-universitetet, Santiago, Chile, och Fabian Walter vid Max Planck-institutet för astronomi i Heidelberg, Tyskland. De genomförde en djupare genomsökning av ett område som motsvarar ungefär en sjättedel av det totala HUDF [3].

Chris Carilli, medlem i forskarlaget, är astronom vid National Radio Astronomy Observatory (NRAO) i Socorro, New Mexico, USA.

– Vi har gjort den första helt blindade tredimensionella sökningen efter sval gas i det tidiga universum. Tack vare detta upptäckte vi en population av galaxer som inte tydligt framträder i några andra djupa kartläggningar av himlen [4], säger han.

Bland de nya observationerna med ALMA var några skräddarsydda särskilt för att registrera galaxer där det finns mycket kolmonoxid, ett tecken på områden där stjärnbildning snart kan börja. Dessa reserver av molekylär gas är en anledning till att galaxer bildar många nya stjärnor, men gasmolnen är oftast väldigt svåra att se med Hubble. ALMA kan därför avslöja denna felande beståndsdel i hur galaxer bildas och utvecklas.

– De nya resultaten från ALMA bekräftar att ju längre tillbaka i tiden vi tittar desto snabbare ökar gasinnehållet i galaxerna. Denna ökning i gasinnehåll är sannolikt grundorsaken till den anmärkningsvärda ökning i stjärnbildningstakt under tiden då galaxbildningen var störst, omkring 10 miljarder år sedan, säger Manuel Aravena, som är förstaförfattare till två av artiklarna.

Forskningsresultaten som presenteras idag är bara början av en serie med framtida observationer som ska undersöka det tidiga universum med ALMA. Till exempel planeras en 150-timmarskampanj av observationer mot HUDF som ska vidare belysa hur galaxernas stjärnbildningspotential har sett ut under universums historia.

– Genom att komplettera vår förståelse av detta saknade stjärnbildningsmaterial kommer det kommande ALMA Large Program att göra vår bild av galaxerna i det ikoniska Hubble Ultra Deep Field fullständigt, avslutar Fabian Walter.

Noter

[1] HUDF är ett område på himlen i den bleka sydliga stjärnbilden Ugnen. Det valdes ut av astronomer så att markbaserade teleskop i den södra hemisfären, som till exempel ALMA, kunde observera regionen och utöka vår kunskap av det väldigt avlägsna universum.

Ett av de primära vetenskapliga målen för ALMA var just att undersöka det djupa men optiskt osynliga universum.

[2] I detta sammanhang innebär “hög massa” galaxer med en massa i form av stjärnor på mer än 20 miljarder gånger solens massa (2 x 1010 solmassor). I jämförelse är Vintergatan en stor galax och har en massa som är 100 miljarder solmassor.

[3] Detta område av himlen är ungefär en sjuhundradedel av det som täcks av fullmånen sedd från jorden. En av de mest häpnadsväckande detaljerna med HUDF var det extremt stora antalet av galaxer som man hittade i en sådan liten del av himlen.

[4] Tack vare ALMA:s förmåga att se en helt annan del av det elektromagnetiska spektrumet jämfört med Hubble kan astronomer studera andra typer av astronomiska objekt, såsom ett massiv stjärnbildande moln, samt objekt som som är synliga i millimetervåglängder men för bleka för att kunna observera i synligt ljus.

Man kallar detta för en “blindad” studie eftersom man inte fokuserade på ett specifikt objekt.

I ALMA:s nya observationerna av HUDF ingår två olika men kompletterande typer av mätningar. Kontinuummätningar avslöjar emission från stoft och bevis på ny stjärnbildning. Dessutom genomförs en kartläggning av spektrala emissionslinjer, som studerar den kalla molekylära gasen som fungerar som bränsle för stjärnbildningen. Denna andra kartläggning är särskilt värdefull eftersom den innehåller information om till vilken grad ljuset från avlägsna objekt har rödförskjutits av universums expansion. En högre rödförskjutning innebär att objektet befinner längre bort och syns som den var längre tillbaka i tiden. Det gör i sin tur att astronomer kan skapa en tredimensionell karta av gasen som stjärnor bildas från och hur den utvecklas med tiden.

Kartläggningar av kall gas i universum har tidigare genomförts med hjälp av Plateau de Bure-observatoriet i franska Alperna, och med Karl G. Jansky Very Large Array i USA.

Mer information

Forskningsresultaten presenteras i följande artiklar:

1. “A deep ALMA image of the Hubble Ultra Deep Field”, av J. Dunlop m. fl. i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

2. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Search for the [CII] Line and Dust Emission in 6 < z < 8 Galaxies”, av M. Aravena m. fl. i Astrophysical Journal.

3. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Molecular Gas Reservoirs in High-Redshift Galaxies”, av R. Decarli m. fl. i Astrophysical Journal.

4. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: CO Luminosity Functions and the Evolution of the Cosmic Density of Molecular Gas”, av R. Decarli m. fl. i Astrophysical Journal.

5. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Continuum Number Counts, Resolved 1.2-mm Extragalactic Background, and Properties of the Faintest Dusty Star Forming Galaxies”, av M. Aravena m. fl. i Astrophysical Journal.

6. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Survey Description”, av F. Walter m. fl. i tidskriften Astrophysical Journal.

7. “The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: the Infrared excess of UV-selected z= 2-10 Galaxies as a Function of UV-continuum Slope and Stellar Mass”, av R. Bouwens m. fl.i Astrophysical Journal.

“The ALMA Spectroscopic Survey in the Hubble Ultra Deep Field: Implication for spectral line intensity mapping at millimeter wavelengths and CMB spectral distortions”, av C. L. Carilli m. fl. i Astrophysical Journal.

Forskarlagen utgörs av följande:

M. Aravena (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chile), R. Decarli (Max Planck-institutet för astronomi, Heidelberg, Tyskland), F. Walter (Max Planck-institutet för astronomi, Heidelberg, Tyskland; Astronomy Department, California Institute of Technology, USA; NRAO), Pete V. Domenici (Array Science Center, USA), R. Bouwens (Leidenobservatoriet, Leiden, Nederländerna; UCO/Lick Observatory, Santa Cruz, USA), P.A. Oesch (Astronomy Department, Yale University, New Haven, USA), C.L. Carilli (Leiden Observatory, Leiden, Nederländerna; Astrophysics Group, Cavendish Laboratory, Cambridge, Storbritannien), F.E. Bauer (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile; Millennium Institute of Astrophysics, Chile; Space Science Institute, Boulder, USA), E. Da Cunha (Research School of Astronomy and Astrophysics, Australian National University, Canberra, Australien; Centre for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Australien), E. Daddi (Laboratoire AIM, CEA/DSM-CNRS-Université Paris Diderot, Orme des Merisiers, Frankrike), J. Gónzalez-López (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile), R.J. Ivison (ESO, Garching bei München, Tyskland; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, Storbritannien), D.A. Riechers (Cornell University, 220 Space Sciences Building, Ithaca, USA), I. Smail (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, Storbritannien), A.M. Swinbank (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, Storbritannien), A. Weiss (Max Planck-institutet för radioastronomi, Bonn, Tyskland), T. Anguita (Departamento de Ciencias Físicas, Universidad Andrés Bello, Santiago, Chile; Millennium Institute of Astrophysics, Chile), R. Bacon (Université Lyon 1, Saint Genis Laval, Frankrike), E. Bell (Department of Astronomy, University of Michigan, USA), F. Bertoldi (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Tyskland), P. Cortes (Joint ALMA Observatory - ESO, Santiago, Chile; NRAO, Pete V. Domenici Array Science Center, USA), P. Cox (Joint ALMA Observatory - ESO, Santiago, Chile), J. Hodge Leidenobservatoriet, Leiden, Nederländerna), E. Ibar (Instituto de Física y Astronomía, Universidad de Valparaíso, Valparaiso, Chile), H. Inami (Université Lyon 1, Saint Genis Laval, Frankrike), L. Infante (Instituto de Astrofísica, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile), A. Karim (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Tyskland), B. Magnelli (Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Bonn, Tyskland), K. Ota (Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Cambridge, Storbritannien; Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Storbritannien), G. Popping (European Southern Observatory, Garching bei München, Tyskland), P. van der Werf (Leiden Observatory, Leiden, Nederländerna), J. Wagg (SKA Organisation, Cheshire, Storbritannien), Y. Fudamoto (ESO, Garching bei München, Tyskland; Universität-Sternwarte München, München, Tyskland), D. Elbaz (Laboratoire AIM, CEA/DSM-CNRS-Universite Paris Diderot, Frankrike), S. Chapman (Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Kanada), L.Colina (ASTRO-UAM, UAM, Unidad Asociada CSIC, Spanien), H.W. Rix (Max Planck-institutet för astronomi, Heidelberg, Tyskland), Mark Sargent (Astronomy Centre, University of Sussex, Brighton, Storbritannien), Arjen van der Wel (Max Planck-institutet för astronomi, Heidelberg, Tyskland);

K. Sheth (NASA Headquarters, Washington DC, USA), Roberto Neri (IRAM, Saint-Martin d’Hères, France), O. Le Fèvre (Aix Marseille Université, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Marseille, France), M. Dickinson (Steward Observatory, University of Arizona, USA), R. Assef (Núcleo de Astronomía, Universidad Diego Portales, Santiago, Chile), I. Labbé (Leidenobservatoriet, Leiden, Nederländerna), S. Wilkins (Astronomy Centre, University of Sussex, Brighton, UK), J.S. Dunlop (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Storbritannien), R.J. McLure (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Storbritannien), A.D. Biggs (ESO, Garching, Tyskland), J.E. Geach (University of Hertfordshire, Hatfield, Storbritannien), M.J. Michałowski (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Storbritannien), W. Rujopakarn (Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand), E. van Kampen (ESO, Garching, Tyskland), A. Kirkpatrick (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, USA), A. Pope (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, USA), D. Scott (University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Kanada), T.A. Targett (Sonoma State University, Rohnert Park, California, USA), I. Aretxaga (Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electronica, Mexiko), J.E. Austermann (NIST Quantum Devices Group, Boulder, Colorado, USA), P.N. Best (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Storbritannien), V.A. Bruce (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Storbritannien), E.L. Chapin (Herzberg Astronomy and Astrophysics, National Research Council Canada, Victoria, Kanada), S. Charlot (Sorbonne Universités, UPMC-CNRS, UMR7095, Institut d’Astrophysique de Paris, Paris, France), M. Cirasuolo (ESO, Garching, Tyskland), K.E.K. Coppin (University of Hertfordshire, College Lane, Hatfield, Storbritannien), R.S. Ellis (ESO, Garching, Tyskland), S.L. Finkelstein (The University of Texas at Austin, Austin, Texas, USA), C.C. Hayward (California Institute of Technology, Pasadena, California, USA), D.H. Hughes (Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electronica, Mexico), S. Khochfar (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Storbritannien), M.P. Koprowski (University of Hertfordshire, College Lane, Hatfield, Storbritannien), D. Narayanan (Haverford College, Haverford, Pennsylvania, USA), C. Papovich (Texas A & M University, College Station, Texas, USA), J.A. Peacock (University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, Storbritannien), B. Robertson (University of California, Santa Cruz, Santa Cruz, California, USA), T. Vernstrom (Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics, University of Toronto, Toronto, Ontario, Kanada), G.W. Wilson (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, USA) och M. Yun (University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts, USA).

Länkar

• Forskningsartikel #1

• Forskningsartikel #2

• Forskningsartikel #3

• Forskningsartikel #4

• Forskningsartikel #5

• Forskningsartikel #6

• Forskningsartikel #7

• Forskningsartikel #8

• Bilder på ALMA

Kontakter

James Dunlop
University of Edinburgh
Edinburgh, United Kingdom
E-post: jsd@roe.ac.uk

Fabian Walter
Max-Planck Institut für Astronomie
Heidelberg, Germany
E-post: walter@mpia.de

Manuel Aravena
Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería, Universidad Diego Portales
Santiago, Chile
E-post: manuel.aravenaa@mail.udp.cl

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-post: rhook@eso.org

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media