Galaksi telah mengalami ledakan kuat pembentukan bintang dari jauh lebih awal dalam sejarah kosmik daripada yang diperkirakan sebelumnya, menurut pengamatan baru.
Galaksi-galaksi yang disebut starburst ini menghasilkan bintang-bintang dengan kecepatan yang luar biasa — menciptakan setara dengan seribu matahari baru per tahun. Sekarang para astronom telah menemukan ledakan bintang yang mengaduk bintang ketika alam semesta baru berusia satu miliar tahun. Sebelumnya, para astronom tidak tahu apakah galaksi dapat membentuk bintang dengan kecepatan setinggi ini pada waktu yang sangat dini.
Penemuan ini memungkinkan para astronom mempelajari ledakan formasi bintang paling awal dan memperdalam pemahaman mereka tentang bagaimana galaksi terbentuk dan berevolusi. Tim menjelaskan temuan mereka dalam sebuah makalah yang diterbitkan secara online pada 13 Maret di jurnal Nature dan dua lainnya yang telah diterima untuk dipublikasikan di Astrophysical Journal.
Sinar cahaya dari galaksi yang jauh dibelokkan karena gravitasi dari galaksi latar depan yang masif, seperti yang diprediksi oleh teori relativitas umum Einstein. Ini membuat galaksi latar muncul sebagai beberapa gambar diperbesar yang mengelilingi galaksi latar depan. Kredit: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), L. Calçada (ESO), Y Hezaveh et al.
Bersinar dengan energi lebih dari seratus triliun matahari, galaksi-galaksi yang baru ditemukan ini merepresentasikan seperti apa galaksi paling masif di lingkungan kosmik kita pada masa muda mereka yang menghasilkan bintang. “Saya menemukan itu sangat luar biasa,” kata Joaquin Vieira, seorang sarjana postdoctoral di Caltech dan pemimpin penelitian. "Ini bukan galaksi normal. Mereka membentuk bintang pada tingkat yang luar biasa ketika alam semesta masih sangat muda — kami sangat terkejut menemukan galaksi seperti ini sangat awal dalam sejarah alam semesta. ”
Para astronom menemukan lusinan galaksi ini dengan South Pole Telescope (SPT), sebuah piringan 10 meter di Antartika yang mensurvei langit dalam cahaya dengan panjang gelombang milimeter — yang berada di antara gelombang radio dan inframerah pada spektrum elektromagnetik. Tim kemudian mengambil tampilan yang lebih rinci menggunakan Atacama Large Millimeter Array (ALMA) baru di Gurun Atacama Chili.
Pengamatan baru mewakili beberapa hasil ilmiah paling signifikan ALMA, Vieira mengatakan. "Kami tidak bisa melakukan ini tanpa kombinasi SPT dan ALMA," tambahnya. "ALMA sangat sensitif, itu akan mengubah pandangan kita tentang alam semesta dalam berbagai cara."
Para astronom hanya menggunakan 16 piringan pertama dari 66 piringan yang pada akhirnya akan membentuk ALMA, yang sudah menjadi teleskop paling kuat yang pernah dibangun untuk mengamati pada panjang gelombang milimeter dan submillimeter.
Dengan ALMA, para astronom menemukan bahwa lebih dari 30 persen galaksi starburst berasal dari periode waktu hanya 1,5 miliar tahun setelah big bang. Sebelumnya, hanya sembilan galaksi seperti itu yang diketahui ada, dan tidak jelas apakah galaksi dapat menghasilkan bintang dengan kecepatan setinggi itu pada awal sejarah kosmik. Sekarang, dengan penemuan baru, jumlah galaksi tersebut telah hampir dua kali lipat, memberikan data berharga yang akan membantu peneliti lain membatasi dan memperbaiki model teoritis pembentukan bintang dan galaksi di alam semesta awal.
Salah satu sumber yang ditemukan SPT diamati oleh ALMA dan Hubble Space Telescope (HST). Galaksi pusat masif (berwarna biru, dilihat oleh HST) membelokkan cahaya dari galaksi yang lebih jauh yang terang dalam panjang gelombang submillimeter, membentuk gambar seperti cincin dari galaksi latar belakang, yang diamati oleh ALMA (merah).
Kredit: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), J. Vieira et al.
Tetapi apa yang sangat istimewa tentang temuan baru ini, kata Vieira, adalah bahwa tim menentukan jarak kosmik ke galaksi starburst berdebu ini dengan secara langsung menganalisis debu pembentuk bintang itu sendiri. Sebelumnya, para astronom harus mengandalkan kombinasi rumit pengamatan optik dan radio tidak langsung menggunakan beberapa teleskop untuk mempelajari galaksi. Tetapi karena sensitivitas ALMA yang belum pernah terjadi sebelumnya, Vieira dan rekan-rekannya mampu melakukan pengukuran jarak mereka dalam satu langkah, katanya. Oleh karena itu jarak yang baru diukur lebih dapat diandalkan dan memberikan sampel terbersih dari galaksi yang jauh ini.
Pengukuran juga dimungkinkan karena sifat unik dari benda-benda ini, kata para astronom. Pertama, galaksi-galaksi yang diamati dipilih karena mereka dapat memiliki lensa gravitasi — sebuah fenomena yang diprediksi oleh Einstein di mana galaksi lain di latar depan membelokkan cahaya dari galaksi latar belakang seperti kaca pembesar. Efek lensa ini membuat galaksi latar tampak lebih terang, memotong jumlah waktu teleskop yang diperlukan untuk mengamatinya sebanyak 100 kali.
Salah satu sumber yang ditemukan SPT diamati oleh ALMA dan Hubble Space Telescope (HST). Galaksi pusat masif (berwarna biru, dilihat oleh HST) membelokkan cahaya dari galaksi yang lebih jauh yang terang dalam panjang gelombang submillimeter, membentuk gambar seperti cincin dari galaksi latar belakang, yang diamati oleh ALMA (merah).
Kredit: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), J. Vieira et al.
Kedua, para astronom mengambil keuntungan dari fitur kebetulan dalam spektrum galaksi ini — yang merupakan pelangi cahaya yang mereka pancarkan — dijuluki “koreksi K negatif.” Biasanya, galaksi tampak lebih redup semakin jauh dari mereka — dengan cara yang sama seperti bola lampu muncul lebih jauh semakin jauh itu. Tetapi ternyata alam semesta yang mengembang menggeser spektrum sedemikian rupa sehingga cahaya dalam panjang gelombang milimeter tidak tampak lebih redup pada jarak yang lebih jauh. Akibatnya, galaksi-galaksi tampak sama cerahnya dalam panjang gelombang ini tidak peduli seberapa jauh mereka - seperti bola lampu ajaib yang tampak sama cerahnya tidak peduli seberapa jauh jaraknya.
"Bagi saya, hasil ini sangat menarik karena mereka mengkonfirmasi harapan bahwa ketika ALMA sepenuhnya tersedia, itu benar-benar dapat memungkinkan para astronom untuk menyelidiki pembentukan bintang sampai ke ujung alam semesta yang dapat diamati," kata Fred Lo, yang, sementara bukan peserta dalam penelitian ini, baru-baru ini seorang Cendekiawan Moore Distinguished di Caltech. Lo adalah Astronom yang Terhormat dan Direktur Emeritus di National Radio Astronomy Observatory, mitra ALMA Amerika Utara.
Selain itu, mengamati efek pelensaan gravitasi akan membantu para astronom memetakan materi gelap - massa misterius yang tak terlihat yang membentuk hampir seperempat alam semesta - di galaksi latar depan. “Membuat peta resolusi tinggi dari materi gelap adalah salah satu arah masa depan dari karya ini yang saya pikir sangat keren,” kata Vieira.
Hasil ini hanya mewakili sekitar seperempat dari total sumber yang ditemukan oleh Vieira dan rekan-rekannya dengan SPT, dan mereka mengantisipasi menemukan galaksi jauh yang jauh, berdebu, berbintang saat mereka terus menganalisis kumpulan data mereka. Tujuan akhir bagi para astronom, Lo berkata, adalah untuk mengamati galaksi di semua panjang gelombang sepanjang sejarah alam semesta, menyatukan kisah lengkap tentang bagaimana galaksi telah terbentuk dan berevolusi. Sejauh ini, para astronom telah membuat banyak kemajuan dalam menciptakan model komputer dan simulasi pembentukan galaksi awal, katanya. Tetapi hanya dengan data — seperti galaksi baru ini — kita akan benar-benar mengumpulkan sejarah kosmik. “Simulasi adalah simulasi,” katanya. "Yang terpenting adalah apa yang kamu lihat."
Kesan seniman terhadap salah satu sumber yang ditemukan SPT berdasarkan pengamatan oleh ALMA dan Hubble Space Telescope (HST). Galaksi pusat masif (berwarna biru, dilihat oleh HST) membelokkan cahaya dari galaksi yang lebih jauh yang terang dalam panjang gelombang submillimeter, membentuk gambar seperti cincin dari galaksi latar belakang, yang diamati oleh ALMA (merah). Kredit: Y. Hezaveh
Selain Vieira, penulis Caltech lain di makalah Nature adalah Jamie Bock, profesor fisika; Matt Bradford, rekan tamu dalam fisika; Martin Lueker-Boden, sarjana postdoctoral dalam fisika; Stephen Padin, rekan peneliti senior dalam astrofisika; Erik Shirokoff, seorang sarjana postdoctoral dalam astrofisika dengan Keck Institute for Space Studies; dan Zachary Staniszewski, pengunjung fisika. Ada total 70 penulis di atas kertas, yang berjudul "Pergeseran tinggi redshift, berdebu, galaksi starburst diungkapkan oleh pelensaan gravitasi." Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation, Yayasan Kavli, the Gordon dan Betty Moore Foundation, NASA, Dewan Riset Ilmu Pengetahuan Alam dan Rekayasa Kanada, program Kursi Penelitian Kanada, dan Institut Kanada untuk Penelitian Lanjutan.
Pekerjaan untuk mengukur jarak ke galaksi dijelaskan dalam makalah Astrophysical Journal "ALMA redshifts dari milimeter yang dipilih dari survei SPT: Distribusi pergeseran merah dari galaksi pembentuk bintang berdebu," oleh Axel Weiss dari Max-Planck-Institut untuk Radioastronomie, dan lainnya. Studi tentang pelensaan gravitasi dijelaskan dalam makalah Astrophysical Journal “pengamatan ALMA terhadap galaksi pembentuk bintang berdebu dengan lensa kuat,” oleh Yashar Hezaveh dari McGill University, dan lainnya.
ALMA, fasilitas astronomi internasional, adalah kemitraan Eropa, Amerika Utara, dan Asia Timur bekerja sama dengan Republik Chili. Konstruksi dan operasi ALMA dipimpin atas nama Eropa oleh organisasi European Southern Observatory (ESO), atas nama Amerika Utara oleh National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dan atas nama Asia Timur oleh National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) ). Joint ALMA Observatory (JAO) menyediakan kepemimpinan dan manajemen terpadu dari konstruksi, commissioning, dan operasi ALMA.
South Pole Telescope (SPT) adalah teleskop 10 meter yang terletak di National Science Foundation (NSF) Amundsen-Scott South Pole Station, yang terletak dalam satu kilometer dari kutub selatan geografis. SPT dirancang untuk melakukan survei kebisingan rendah, resolusi tinggi dari langit pada panjang gelombang milimeter dan submillimeter, dengan tujuan desain khusus untuk membuat pengukuran ultrasensitif dari latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB). Survei besar pertama dengan SPT selesai pada Oktober 2011 dan mencakup 2.500 derajat persegi langit selatan dalam tiga pita pengamatan gelombang milimeter. Ini adalah data gelombang milimeter besar terdalam yang ada dan telah menyebabkan banyak hasil sains yang inovatif, termasuk deteksi pertama kluster galaksi melalui tanda tangan efek Sunyaev-Zel'dovich mereka, pengukuran paling sensitif dari CMB skala kecil spektrum daya, dan penemuan populasi ultrabright, pergeseran merah tinggi, pembentuk bintang. SPT didanai terutama oleh Divisi Program Kutub di Direktorat Geosains NSF. Dukungan parsial juga disediakan oleh Institut Kavli untuk Fisika Kosmologis (KICP), sebuah Pusat Fisika Frontier yang didanai NSF; Yayasan Kavli; dan Yayasan Gordon dan Betty Moore. Kolaborasi SPT dipimpin oleh Universitas Chicago dan termasuk kelompok-kelompok penelitian di Argonne National Laboratory, Institut Teknologi California, Universitas Cardiff, Universitas Case Western Reserve, Universitas Harvard, Ludwig-Maximilians-Universität, Observatorium Astrofisika Smithsonian, Universitas McGill, Universitas Arizona, Universitas California di Berkeley, Universitas California di Davis, Universitas Colorado di Boulder, dan Universitas Michigan, serta ilmuwan perorangan di beberapa lembaga lain, termasuk European Southern Observatory dan Max -Planck-Institut für Radioastronomie di Bonn, Jerman.
Melalui CalTech