Mlada galaksija razkriva skrivnosti vesolja

»Prvič smo v tako zgodnjem vesolju opazovali same gradnike galaksije. Opazovali smo namreč kroglaste kopice, ki so pravzaprav relativno majhne strukture,« poudarja prof. dr. Maruša Bradač, ki je z raziskovalcem dr. Nicholasom Martisom in doktorskim študentom Gregorjem Rihtaršičem s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani (UL FMF) sodelovala pri odmevni raziskavi galaksije Firefly Sparkle ali v prevodu Roj kresničk, ki jo vidijo približno 600 milijonov let po velikem poku. Ta se je zgodil pred 13,8 milijarde leti.

Mednarodna ekipa raziskovalcev je tako daleč nazaj lahko pogledala z vesoljskim teleskopom Jamesa Webba (JWST), pri čemer jim je pomagal tudi naravni pojav – gravitacijsko lečenje. »Gre za uklon svetlobe v bližini masivnih objektov zaradi ukrivljenosti prostor-časa, kar povzroči deformacije in premike slik oddaljenih objektov, posledično tudi njihove povečave. Pred galaksijo Roj kresničk je namreč jata galaksij MACS J1423, ki služi kot leča, saj povečuje strukture, ki so v njenem ozadju,« pojasnjuje Rihtaršič. Če te jate ne bi bilo, ne bi videli strukture galaksije, torej posameznih zvezdnih kopic, ampak bi videli eno samo packo.

V galaksiji Roj kresničk je deset ločenih zvezdnih kopic, ki se razlikujejo po starosti in fazi nastanka. »To pomeni, da so zvezde v galaksiji nastajale v različnih obdobjih, kar potrjuje teorije o postopnem razvoju galaksij. Življenjske dobe galaksij se merijo v milijardah let, medtem ko tukaj govorimo o nekaj sto milijonov let stari galaksiji, pri kateri spremljamo njeno nastajanje,« nadaljuje raziskovalka.

»Poleg tega ima ta galaksija lastnosti, ki so zelo podobne lastnostim, kakršne bi imela naša galaksija v začetku svojega nastajanja. Zato je ta zgodba pravzaprav zelo pomembna, ker vidimo, kako nastajajo zvezde, posledično lahko sklepamo, kako so nastale prve zvezde v naši galaksiji in kako se je nato galaksija Roj kresničk razvijala naprej,« pravi prof. dr. Bradač. »Razvoja naše galaksije ne moremo videti, lahko pa o njem sklepamo iz slik drugih galaksij. To je na primer tako, kot če bi vesoljec za 10 minut prišel na Zemljo z nalogo, da ugotovi, kako se razvija človek. Celotnega poteka seveda ne more videti, bi pa lahko v teh minutah zbral slike človeka, ko je dojenček, otrok, najstnik, odrasel in star. Tako bi dobil dober vtis, enako počnemo mi z galaksijami,« še ponazori.

Nicholas Martis, Maruša Bradač in Gregor Rihtaršič s Fakultete za matematiko in fiziko UL FOTO: Jože Suhadolnik  

Kako so iz loka dobili kapljico

Iz podatkov so raziskovalci dognali, da je galaksija Roj kresničk oblikovana kot dežna kapljica – dve kopici zvezd sta proti vrhu, druge na dnu, na realnem posnetku pa je galaksija sicer videti kot raztegnjen lok zvezd, ob njej sta še dve spremljevalki, ki tvorijo povezan sistem – prva je oddaljena le 6500, druga 42.000 svetlobnih let. Za primerjavo: naša galaksija je široka približno 100.000 svetlobnih let, kar pomeni, da bi vanjo lahko spravili galaksijo Roj kresničk z obema spremljevalkama.

»Naša galaksija je relativno stara, v primerjavi z Rojem kresničk je precej bolj razvita. Galaksije v nastajanju so precej nepravilnih oblik. Počakati bi morali še kakšno milijardo let ali več, da se bo preoblikovala morda v spiralno galaksijo z rokavi, kakršna je naša, morda bo katere druge oblike. V zgodnjem vesolju je večina galaksij nepravilnih oblik,« pojasnjuje profesorica na FMF.

Ravno delo slovenskih raziskovalcev je omogočilo rekonstrukcijo strukture galaksije in vpogled v razvoj zvezdnih kopic. Odgovorni so bili namreč za analizo podatkov gravitacijskega lečenja in interpretacijo razvoja zvezdnih kopic.

»Ko svetloba oddaljene galaksije potuje mimo jate MACS J1423, to je ogromna struktura galaksij, plina in temne snovi, se svetloba ukloni v njenem gravitacijskem polju. Posledično se slika deformira in hkrati poveča, zato vidimo lok in ne dežne kapljice,« razlaga Rihtaršič. »Razumeti moramo proces uklona svetlobe in vedeti, kakšna je masa, ki povzroča uklon, šele tako lahko izračunamo originalno obliko opazovane galaksije. Da določimo maso jate, uporabimo druge podobne galaksije, ki so za jato in so z njo še bolj idealno poravnane. Iz njihovih opaženih pozicij lahko izračunamo, kako je porazdeljena snov v jati. Iz tega modela nato sledi rekonstrukcija videza opazovane galaksije,« pojasnjuje Rihtaršič, katerega glavna tema doktorskega študija je ravno gravitacijsko lečenje. »Naš projekt obsega pet jat galaksij, ta je ena izmed teh,« pravi doktorski študent.

»Pri analizi posnetkov iščemo zelo povečane objekte, ki so torej videti kot loki. Ravno to jih izdaja. Potem analiziramo količino pridobljene svetlobe, ki jo pogledamo tudi v različnih valovnih dolžinah. Glede na razmerja svetlobe pri različnih valovnih dolžinah lahko določimo lastnosti galaksije. V tem projektu smo skušali dognati starost zvezdnih kopic, da bi videli, kako daleč nazaj proti velikemu poku so se oblikovale. To nam še pove, kdaj lahko steče proces oblikovanja galaksije,« nadaljuje dr. Nicholas Martis.

Dodaja še: »Naša skupina skuša karakterizirati zelo zgodnje galaksije, prav za to so tudi zgradili teleskop Jamesa Webba, da bi zaznali in izmerili lastnosti teh prvih galaksij. Ne vemo še natančno, kako so se prve galaksije sploh oblikovale. To znanje vpliva na fiziko, kozmologijo, pravzaprav na samo razumevanje, kako vesolje deluje.«

Mednarodno sodelovanje

Raziskava o galaksiji Roj kresničk, ki je bila objavljena v prestižni reviji Nature, je dokaz, kako ključna je povezanost mednarodne znanstvene skupnosti, saj je pri raziskavi sodelovalo 22 znanstvenikov z univerz in raziskovalnih institucij po vsem svetu.

Raziskava ekipe je temeljila na podatkih iz kanadskega projekta CANUCS (Canadian Niriss Unbiased Cluster Survey), ki vključuje infrardeče slike iz Webbovih kamer Niriss in Nircam in spektre iz kamere Nirspec. Ekipa projekta CANUCS je teleskop JWST namenoma usmerila v polje, ki ga je Nasin vesoljski teleskop Hubble posnel kot del raziskave CLASH.

»Tej skupini sem se pridružila že pred desetimi leti, ker so potrebovali specialista za gravitacijsko lečenje. Nicholas (Martis) je z nami tudi že več let, Gregor (Rihtaršič) je v naši skupini dve leti. CANUCS je skupina, ki je pomagala snovati eno izmed štirih kamer na teleskopu Jamesa Webba. S sodelovanjem v konzorciju smo dobili zagotovljen opazovalni čas s teleskopom, to je 200 ur, in galaksija Roj kresničk je del teh opazovanj,« pravi Maruša Bradač.

Dodaja še, da Webb Roja kresničk pravzaprav ni odkril, ampak je to naredil že legendarni Hubble. »Da je galaksija ena bolj zgodnjih, smo vedeli že kar nekaj časa. V bistvu je moj takratni doktorski študent še iz Hubblovih podatkov razbral, da je galaksija na veliki oddaljenosti. Vendar nam je do zdaj ni uspelo natančno izmeriti, Hubble enostavno nima dovolj velike ločljivosti, da bi prikazal gradnike galaksije. Šele Webb je bil dovolj zmogljiv, da je razkril kroglaste kopice in razložil, za kako posebno galaksijo pravzaprav gre.«

Ilustracija prikazuje rekonstrukcijo videza galaksije Roj kresničk, če ne bi bila raztegnjena in popačena zaradi gravitacijskega lečenja. Ilustracija temelji na slikah in podatkih Nasinega vesoljskega teleskopa Jamesa Webba. FOTO: Nasa, Esa, CSA  

Veliko spletnih srečanj

Globalne povezave omogočajo, da lahko do podatkov vrhunskih teleskopov raziskovalci dostopajo po vsem svetu. »Podatke z Webba prejemamo prek skupine radijskih teleskopov, komunikacijo pa koordinira Nasin inštitut v Baltimoru, od tam dobimo surove podatke, prenesemo jih na naše računalnike, to deluje prek računalniške gruče v Kanadi. Podatke je treba obdelati, jih očistiti morebitnih šumov. Iz njih lahko izdelamo barvne slike, z različnimi filtri, zdaj jih uporabljamo do 29. Vse to nam pove, kako daleč je galaksija, kakšne zvezde so tam – modre, ki so mlajše, rdeče so denimo starejše,« delo opisuje profesorica. Dodaja, da v kroglastih kopicah sicer posameznih zvezd niso mogli razbrati. »Tako dobre tehnologije še nimamo. Bi si jo pa želeli. Posamezne zvezde v kopicah lahko razločujemo v naši galaksiji, tako daleč stran pa ne.«

Teleskop zbere ogromno podatkov, iz katerih se lahko razbere najrazličnejše znanje. Tako raziskovalci iste podatke prečešejo na več načinov, dodaja Martis: »Taka raziskava je pravzaprav možna le, ko vsak od nas doda košček v celoto. V članku je veliko podrobnih analiz, zato je ekipa sestavljena iz strokovnjakov za različna področja. Seveda je za to potrebne veliko komunikacije, tako imamo pogoste spletne sestanke.« Ti potekajo ob kar najbolj udobni uri za vse. »Pri nas je to pozno popoldne, da se zbudijo raziskovalci v Kanadi, za japonskega kolega pa to denimo pomeni sredi noči,« še dodajajo raziskovalci.

Prelomno odkritje o galaksiji Roj kresničk ima globalni pomen za astrofiziko, saj omogoča testiranje teorij o nastanku galaksij in razumevanje procesov, ki so oblikovali zgodnje vesolje. Raziskava je tudi pokazala, da združevanje galaksij in interakcije med njimi igrajo pomembno vlogo pri njihovem razvoju, kar je pomembno izhodišče za prihodnje študije evolucije vesolja.

Vesoljski teleskop James Webb je v točki L2 - to je 1,5 milijona kilometrov stran od nas. FOTO: Chris Gunn/Nasa/AFP

Vrnitev v Slovenijo

Raziskava je bila del projekta ERC Firstlight, ki ga je pridobila Maruša Bradač. V projektu se različne raziskave osredotočajo na zgodovino vesolja, ko je bilo to staro le nekaj sto milijonov let, ko so v njem začele nastajati prve zvezde in galaksije. »Projekt teče odlično. V skupini je poleg mene še sedem vrhunskih znanstvenikov in doktorskih študentov, pri raziskavah sodelujejo še drugi kolegi. Pravkar smo oddali članek za revijo Nature Communications o črnih luknjah v zgodnjem vesolju, kdaj bo objavljen, bomo še sporočili. Gregor (Rihtaršič) bo med drugim preiskoval temno snov v jati galaksij Puščica (Bullet cluster). Ta je tudi meni zelo ljuba jata, komaj čakamo opazovalne podatke. Projektov, idej in dela je ogromno, kar pa nas zelo veseli.«

Maruša Bradač je po študiju fizike na ljubljanski Fakulteti za matematiko in fiziko odšla v Nemčijo, nato v ZDA, dolga leta je bila profesorica na Univerzi v Kaliforniji, Davis. Tudi pridobitev projekta ERC ji je omogočila vrnitev v Slovenijo in uspešno nadaljevanje bogate znanstvene kariere. »Da sem se vrnila, je bila vrhunska odločitev. Zelo sem vesela. Predvsem projekt ERC mi je dal svobodo, zdaj imam v skupini še sedem raziskovalcev. Vsi opravljamo fantastične raziskave. Projekti ERC imajo dolgoročno financiranje, to je eden od razlogov, da se nam je pridružil dr. Martis. Financiranje v višini dva milijona evrov je namreč za pet let. V ZDA je bilo financiranje pogosto le za dve do tri leta, vedno smo bili nekako v stiski, ali bomo našli denar za raziskovalce,« pravi. »Ta sredstva tudi omogočajo udeležbo na mednarodnih konferencah. Spletni sestanki so enostavni in razširjeni, ampak pogovorov v živo ne morejo nadomestiti. Opisana raziskava se je denimo rodila na srečanju v Bostonu, kjer smo sedeli skupaj in razpravljali o podatkih in nalogah,« še razlaga Maruša Bradač. »Poudariti moram še, da je kvaliteta študentov v Sloveniji visoko nad kvaliteto v ZDA. V skupini imam tri študente, dva sta študirala na FMF. Vsi so odlični in resnično dobri v svojih raziskavah. V veliko zadovoljstvo mi je delati z njimi.«

Gregor Rihtaršič je po študiju fizike na FMF magistrski študij astrofizike zaključil na Univerzi Ludwiga Maximilliana v Münchnu, potem se je ponudila priložnost, da se vrne na matično univerzo.

Dr. Nicholas Martis pa je iz ZDA. »Podoktorske raziskave sem opravil v Kanadi, kjer sem začel delati z omenjeno skupino. Gre za znanstveno zelo močno skupino. V njej so raziskovalci, s katerimi je preprosto dobro sodelovati. Ko je Maruša objavila, da potrebuje sodelavce, me je oglas takoj pritegnil,« pravi raziskovalec, ki je tu dobro leto. »Zelo mi je všeč življenje v Sloveniji. Ljubljana je ravno prav veliko mesto, da začutiš mestni utrip, hkrati pa je podeželje za vogalom. Imate čudovito naravo.«

Slovenija bo v kratkem postala polnopravna članica Evropske vesoljske agencije (Esa), kar Marušo Bradač zelo veseli. »Prek Ese bodo na voljo nova financiranja. Webbov teleskop so zgradile tri agencije, ameriška Nasa, evropska Esa in kanadska CSA. Zdaj nam bo lažje pridobivati sredstva za raziskave s tem teleskopom. Sodelujemo pa lahko tudi s slovenskimi podjetji, ki nam pomagajo pri obdelavi podatkov. Takšna sodelovanja nas potisnejo, da razmišljamo zunaj ustaljenih okvirjev, kar lahko obrodi vrhunske rezultate. Najboljši rezultati pridejo iz nekonvencionalnih idej, ko poskusiš nekaj, česar se še nihče drug ni spomnil.«