De nachtelijke hemel is een natuurlijke tijdmachine, gebruikt door kosmologen om de oorsprong en evolutie van het universum te onderzoeken. Reikend naar de diepten van het verleden, een klas van niet-gegradueerde studenten aan de Universiteit van Chicago probeerde hetzelfde te doen - en ontdekte een buitengewoon verre melkweg in de vroege kosmos.

Licht dat wordt uitgezonden door verre hemellichamen doet er lang over om waarnemers aan de aardzijde te bereiken. Dat betekent dat de sterren en sterrenstelsels die we aan de hemel zien, voor ons lijken alsof ze miljoenen zouden hebben bestaan, of zelfs miljarden, van jaren geleden.

Het licht van het ontdekte sterrenstelsel stamt uit een tijd dat het universum slechts 1,2 miljard jaar oud was, ongeveer een tiende van zijn huidige leeftijd. Op dit punt, het jonge sterrenstelsel had al een massa verzameld die indrukwekkend vergelijkbaar was met de huidige versie van ons eigen sterrenstelsel, De melkweg.

"Dit sterrenstelsel dat we hebben waargenomen, door naar het verleden te kijken en terug te kijken, is al volwassen. Het heeft al bijna een Melkweg aan sterren gevormd, " zei Michael Gladders, een professor in de astronomie en astrofysica afdeling van UChicago. "Het is heel volwassen, maar in een veel vroeger stadium in het universum."

De ontdekking was een climax in de eerste iteratie van een veldcursus die is ontwikkeld voor de nieuwe major astrofysica aangeboden door UChicago. Studenten in de tweekwartklas vormden een nieuwe onderzoekssamenwerking, KOEL-LAMPEN, en onderzocht openbare beeldverwerkingsdatabases op zoek naar melkwegstelsels met lenzen. De opmerkelijke vondst werd bevestigd door waarnemingen van instrumenten op de grond:de Magellan Telescopes in Chili en de Gemini North-telescoop op Hawaï.

'Natuurtelescoop'

Een melkwegstelsel met een lens is een melkwegstelsel waarvan het uitgestraalde licht is afgebogen door de zwaartekracht van een massief object dat tussen het melkwegstelsel en het waarnemingspunt ligt. Dit effect, bekend als zwaartekrachtlensing, creëert een vervormd, boogachtige afbeelding van de melkweg met een intens vergrote helderheid.

Gladders, die in de eerste helft van 2020 de veldcursus heeft gegeven, noemt zwaartekrachtlensing 'de telescoop van de natuur'. eigenaardige vorm van scherpstelling en vergroting die ons in staat stelt sterrenstelsels met veel meer detail te bestuderen dan we normaal ooit zouden kunnen, " hij zei.

Het licht van het ontdekte sterrenstelsel werd zo sterk vergroot door een cluster van andere sterrenstelsels op de voorgrond dat het wedijverde met beelden van de lucht die vanuit de ruimte werden genomen.

"Dit was een telescoop op de grond die gegevens verzamelde van deze absoluut prachtige boog, " zei Gourav Khullar, een UChicago Ph.D. kandidaat die als onderwijsassistent voor de veldcursus heeft gediend en eerste auteur is van het artikel waarin de bevindingen worden beschreven. "Het is ongeveer honderd keer helderder dan klassieke beelden van vergelijkbare verre sterrenstelsels van de Hubble-ruimtetelescoop!"

Een uitgebreide studie van de stellaire populaties van dit sterrenstelsel, uitgevoerd door de studentmedewerkers, concludeerde in het besef dat dit het helderste sterrenstelsel met lens was dat ooit in deze periode van het vroege heelal is waargenomen.

Zonder zwaartekrachtlenzen, Hoewel, het verre sterrenstelsel zou veel vager lijken, als het al zichtbaar is.

"De boog is door de tussenlens zo vergroot dat hij extreem helder is, "zei Khullar. "Maar een versie zonder lens van de melkweg zou er niet zo uitzien; het zou veel zwakker zijn en helemaal niet detecteerbaar door de huidige faciliteiten op de grond."

Door de pandemie heen duwen

De veldcursus is ontworpen om astrofysica-majors een real-life, baanbrekende onderzoekskans. Oorspronkelijk bescheiden in ambitie, Gladders overtuigde de afdeling en het College om te investeren in een complete praktijkervaring, inclusief een bezoek aan de Magellan-telescopen om deel te nemen aan astronomische waarnemingstijd tijdens de voorjaarsvakantie.

Maar de coronaviruspandemie verijdelde die plannen, wegscheuren wat bedoeld was als de kernervaring van de klas.

"Alles was geboekt, ' zei Gladders. 'Ik had al uitstapjes geregeld naar andere observatoriumlocaties, bouwplaatsen om telescopen te zien die momenteel worden gebouwd, en om Chili zelf te zien."

Midden in donkere tijden, de COOL-LAMPS-studenten gingen door met het scannen van openbare luchtgegevens, uiteindelijk hun verhelderende galactische ontdekking bereiken.

"Voor mij, het was een schok dat we iets zo belangrijks hadden gevonden, " zei Emily Sisco, een vierdejaars astrofysica major die het afgelopen studiejaar heeft deelgenomen aan de field course. "Al het werk dat we hadden gedaan, leidde tot dat moment, maar ik was nog steeds geschokt!"

Intrigerende eerste resultaten hebben de COOL-LAMPS-samenwerking aangemoedigd om observatietijd na te streven voor een tweede onderzoeksgolf. Er zijn plannen om de melkweg te observeren met behulp van telescopen op de grond in New Mexico en Europa, evenals twee van NASA's in een baan om de aarde draaiende ruimtetelescopen, Hubble en het Chandra-röntgenobservatorium.

"Met beeldvorming met een hogere resolutie vanuit de ruimte, astronomen zullen in staat zijn om de structuur van dit sterrenstelsel op te lossen, " zei Ezra Sukay, die zich als derdejaarsstudent in het College aansloot bij de COOL-LAMPS-samenwerking. "Dit zal details onthullen over stervorming in zeer massieve sterrenstelsels vroeg in het universum."

Gladders verwachtte dat de klas op de een of andere manier succesvol zou zijn, maar anticipeerde niet op een sterrenstelsel dat zo uitzonderlijk helder was, ver terug in de tijd, of volwassen als wat werd ontdekt. "Het is gewoon absoluut fantastisch, "zei hij. "Ik ben zo trots op ze - ze hebben echt geweldig werk geleverd."

In januari, Gladders zal beginnen met het geven van een tweede versie van de veldcursus, nieuwe studenten toevoegen aan COOL-LAMPS die de vorming en evolutie van sterrenstelsels in de kosmische tijd zullen blijven onderzoeken.

"Een van de grote doelen bij het bestuderen van de kosmos is het beantwoorden van de fundamentele vraag waar we vandaan komen, "zei Gladders. "Wij als soort, maar ook de planeet waarop we leven, het zonnestelsel waarin de planeet zich bevindt, en de melkweg waarin ons zonnestelsel zich bevindt.

"We pakken dit diepe verlangen aan om te begrijpen waar het allemaal vandaan komt en uiteindelijk, hoe passen we?"

COOL-LAMPS is een afkorting voor ChicagO Optisch geselecteerde sterke lenzen - gelegen aan de rand van openbare enquêtes.