galaktisk Fossiljakt

när astronomer tittar in i himlen ser de också tillbaka i tiden. Så när forskare observerar en galax som ligger en miljard ljusår från Jorden ser de också hur stjärnsystemet uppträdde en miljard år tidigare eftersom ljus från galaxen tog en miljard år att nå sina instrument. Detta förvandlar teleskop till tidsmaskiner som gör det möjligt för astronomer att utforska forntida kosmisk historia. Men till skillnad från jordbundna arkeologer som studerar gamla stenar, undersöker astronomer fossiler gjorda av primordialt ljus.

• nybörjarguide till Lcdm-universum
  är det möjligt för avlägsna galaxer att flytta bort från oss snabbare än ljusets hastighet? Titta på en korrekt bild av universum baserat på Lambda Cold Dark Matter-modellen, den bästa kosmologiska modellen idag.
• källa: CassiopeiaProject

galaxernas ursprung och utveckling är två av de mest aktivt undersökta områdena inom astrofysik. En överväldigande vikt av bevis har övertygat kosmologer om att universum uppstod vid ett bestämt ögonblick, för cirka 13, 6 miljarder år sedan, i form av en super het, supertät eldboll av energisk strålning som kallas Big Bang-händelsen.
idag är Lambda Cold Dark Matter (eller LCDM) – modellen den senaste inkarnationen av vår förståelse om kosmos ursprung. Det representerar en förbättring av big bang-teorin genom att placera det mesta av den fysiska substansen i universum består av ett material som kallas mörk materia.
även om det inte kan detekteras med nuvarande instrumentering, tror kosmologer att mörk materia består av kalla långsamma partiklar som inte avger elektromagnetisk strålning eller sprider ljus, så de verkar också mörka. Emellertid kan gravitationseffekten av mörk materia observeras på synligt material, såsom galaxer och observationer av bakgrundsstrålning.

• Clumpy early universe
  små mörka materiehalor kan ses sammanfoga i denna datorsimulering av det tidiga universum baserat på Lambda Cold Dark Matter-teorin. Övertid producerar fusionerna en proto-galax.

Lambda i teorins namn står för närvaron av mörk energi, en hypotetisk kraft som verkar påskynda universums expansion. Teorin publicerades ursprungligen 1984 av USA: s fysiker Joel R. Primack, George Blumenthaloch Sandra Moore Faber. Idag kallas det också som standard kosmologisk modell.
enligt lcdm-teorin var universum intensivt varmt, anmärkningsvärt smidigt och väsentligen homogent omedelbart efter Big Bang. Små fluktuationer i densitet, mindre än en del av hundra tusen, började dock dyka upp och växa. När universum kyldes började klumpar av mörk materia kondensera och inom dem bildades gasmolekyler. Vid denna tidpunkt bestod universum nästan uteslutande av väte, helium och mörk materia. Detta är den period då den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen emitterades.

gasen och den mörka materien lockades gravitationellt till områdena med högre densitet och bildade halor som representerade fröna för de första galaxerna. När halorna blev mer massiva började de kollapsa under sin egen vikt och blev proto-galaxer. Strax efter började väte och heliumgasen i glorierna göra de första stjärnorna. Sedan över tiden slogs halorna samman för att bilda större och större galaxer.

• ringar och bågar är inte det enda beviset på en gammal satellitsammanslagning. Denna animering simulerar sammanslagningen av många följeslagare galaxer och visar att plymer, spjut, spikar och skal som omger den primära galaxen också är möjliga.
• modell animation kredit: James Bullock (UC Irvine)

datorsimuleringar har gjort det möjligt för teoretiker att följa materiens utveckling i universum från en kort tid efter Big Bang tills nyligen. Dessa simuleringar hävdar att galaxbildning i närvaro av kall mörk materia sker hierarkiskt – de första galaxerna som bildas är små dvärgar och dessa sammanfogar därefter för att bilda progressivt större stjärnsystem. Därför måste stora galaxer som Vintergatan ha konsumerat hundra eller fler små dvärggalaxer över tiden. Men många av dem kan vara så grundligt blandade med stjärnorna i deras modergalax att de inte längre är lätt identifierbara.
fusioner gjorda i himlen
den mest spektakulära manifestationen av denna process kan vara sammansmältningen av jämförbart stora galaxer i en process som kallas en stor Fusion. Dessa händelser resulterar ofta i förstörelsen av spiralmönstret i båda sammanslagna galaxerna. Stora fusioner kan också utlösa stjärnbrott. Sådana händelser har varit relativt sällsynta under de senaste miljarder åren och endast en liten andel av stora galaxer är involverade i en pågående stor fusion vid någon tidpunkt.
men mindre fusioner som involverar störning av en dvärgsatellitgalax av en mycket mer massiv följeslagare förväntas vara betydligt vanligare. Enligt LCDM-modellen bör mindre fusioner fortfarande inträffa idag. Eftersom den större partnerns stjärnskiva inte förstörs under en mindre sammanslagning, bör tecken på senaste eller pågående händelser vara uppenbara runt många spiraler, den vanligaste typen av stor galax.
kosmiska brödsmulor

• Skyttens dvärggalax
  Vintergatans Skyttens tidvattenström kan ses som sträcker sig från Skyttens dvärgs täta kärna, lindas runt galaxen och faller ner genom solens position.
• Animation credit David Law/University of Virginia

tidvattnets ebb och flöde skapas när månen lockar vår planet och dess hav differentiellt. På samma sätt deformerar en stor spiral en kretsande satellitgalax genom att utöva ett starkare drag på ena sidan än den andra. I processen avlägsnas några av satellitens stjärnor som ett spår av brödsmulor som lämnar en fossilpost i form av en stjärnvattenstruktur. Under sammanslagningen kan Stjärnor från en satellitgalax dras in i långa strömmar, deponeras i stora skräpskal eller svepas in i enorma paraplyformade strukturer som omger modergalaxen och förblir detekterbara i flera miljarder år som en gigantisk kosmisk relik.

bevis på den första stjärnströmmen upptäcktes i Vintergatan galaxen under 90-talet. känd som Skytten Dvärg elliptisk, denna lilla satellitgalax kretsar på en vinkelrät väg till Vintergatans breda stjärnplan som får den att passera genom vår galax. Med varje passage genom skivan tas stjärnor bort och bildar en tunn ström.
sedan upptäckten av Skyttens dvärggalax har över 15 stjärnströmmar identifierats i halo vår hemgalax och 4 har upptäckts i Andromeda-galaxen, vår närmaste galaktiska granne.
men bevis på tidvattenströmmar bortom den lokala gruppen har varit mestadels anekdotiska tills nyligen.

• galax i en bubbla. NGC3521 ligger cirka 35 miljoner ljusår i fjärran mot den norra konstellationen Leo. Denna nya djupa bild visar flera skräpskal som bevisar tidigare sammanslagningar med en eller flera satellitgalaxer.
• Fotokredit: R. Jay GaBany Cosmotography.com

utöver den lokala gruppen
under de senaste sex åren har Dr. David Marttubbiznez-Delgado från Max Planck Institute for Astronomy lett ett internationellt team av professionella och amatörastronomer som söker efter stjärnströmmar runt åtta närliggande spiraler bortom den lokala gruppen genom att analysera ultradjupa bilder som produceras med blygsamma, kommersiellt tillgängliga instrument. Deras ansträngningar ledde till upptäckten av sex omfattande stjärnstrukturer som omger flera av de undersökta galaxerna. Dessa tidigare oupptäckta funktioner tolkades som skräp från tidalt störda satelliter. Dessutom bekräftade och klargjorde deras forskning flera enorma stjärnfunktioner som tidigare rapporterats men aldrig tolkats som fossila bevis på mindre fusioner.

• Paraplygalaxen, NGC4651, ligger i konstellationen Coma Berenices och ligger cirka 35 miljoner ljusår från vår planet. Denna nya vy visar bevis på tidigare sammanslagningar med en eller flera satellitgalaxer.
  skalet av stjärnskräp som uppenbarligen genomborrats av ett smalt tidvattenspjut överensstämmer med förutsägelser baserade på standardmodellen.
• Fotokredit: R. Jay GaBany Cosmotography.com

galaxuppsättningen uppvisade oväntade, mycket olika egenskaper som stora cirkulära funktioner som liknar Vintergatans Skyttström, avlägsna skal och jätte moln av tidvattenskräp samt enorma jetliknande funktioner som kommer från galaktiska skivor. Tillsammans med resterna av redan störda följeslagare fångade observationerna också överlevande satelliter som fångats i tidvattenstörning.
tidigare 2011 slutfördes en ny bild av NGC 3521 som förbättrar de data som ursprungligen samlades in för undersökningen. Beläget 35 miljoner ljusår från vår planet mot den norra konstellationen Leo, har detta stjärnsystem klassiskt kategoriserats som flockig galax på grund av den enorma mängden material som delvis döljer sin spiralstruktur.
den nya ultradjupa bilden avslöjar emellertid bevis på en eller flera tidigare sammanslagningar med dvärggalaxer som lämnade urskiljbara understrukturer, såsom ett nästan sfäriskt moln av skräp synligt på dess östra sida och ett stort, långsträckt moln i väster. Båda representerar skräpskal som tillhör en paraplyliknande struktur som liknar den som ses i bilder avngc 4651. Men, deras lösare utseende antyder att de accreted mycket längre i det förflutna. Dessutom är galaxen omslagen en bubbla av flera skräpskal som kan representera ytterligare bevis på gamla fusioner.
andra flockande galaxer har också visat sig ha stjärnströmrester, såsom NGC 5055 (M63) som leder till att vissa spekulerar i att detta fenomen kan vara kopplat till tidigare mindre sammanslagningar.
en jämförelse meddatorsimuleringar bekräftade den extraordinära variationen av strukturer som upptäckts av Delgado-teamet. Förekomsten av tidvattenfunktionerna runt avlägsna galaxer som verkar vara normala, från alla andra aspekter, och deras matchning till LCDM-simuleringarna utgjorde nya bevis för att standardmodellen också gäller för avlägsna galaxer som liknar Vintergatan.
liksom kosmiska arkeologer gräver astronomer forntida ljus för att avslöja sanningen om galaxernas födelse och utveckling. Stjärnströmmar, reliker av den hierarkiska fusionsprocessen som förutspåddes av lcdm-teorin, identifierades först i Vintergatan och andra galaxer i den lokala gruppen. Nu har liknande strukturer setts i mycket mer avlägsna galaxer. Tillsammans stöder dessa observationer den nuvarande bästa teorin som förklarar hur universum, och allt inom det, har sitt ursprung och utvecklats till idag.
boken om vetenskaplig kunskap skrivs dock på lösa bladsidor som revideras, sorteras om och ibland tas bort över tiden när ny information grävs upp. Därför, till skillnad från jordbundna fossiler, bör inget kosmologiskt betraktas som etsat i sten eftersom det alltid finns något nytt som kommer fram strax över vår horisont.
Läs också:
– en pilotundersökning med blygsamma Bländarteleskop
– Modelluniverset