Long ago and far away: Viewing galaxy formation and evolution through the best cosmic magnifying glasses.

Siden lysets hastighet er endelig ser vi bakover i tid når vi ser utover i universet. Dette gjør det mulig å studere hvordan galaksene ble dannet og hvordan de utviklet seg gjennom universets historie. Det er imidlertid vanskelig å studere fjerne galakser i detalj: Selv i de skarpeste bildene tatt med romteleskopet Hubble dekker hver galakse kun noen få pixler, og det svake lyset er på grensen av hva som kan detekteres med våre største teleskoper. Naturen har imidlertid gitt oss et verktøy til å overvinne disse begrensningene: Lysstråler fra fjerne galakser blir avbøyd i tyngdefeltet til et massivt objekt (f.eks. en galaksehop) som fungerer som en slags linse. Dette kalles gravitasjonslinsing. Hvis den fjerne galaksen og linsen er nesten perfekt opplinjert langs vår synslinje, vil lyset bli fokusert mot oss og den fjerne galaksen blir forstørret og lyset forsterket. Dette gir oss mulighet til å se objekter og fenomener som ellers ikke hadde vært observerbare. Vi har funnet at den lyssterkeste galaksen som er gravitasjonslinset (kjent som "solstreifgalaksen") kan sees i 12 separate bilder på grunn av gravitasjonslinse-effekten. Vi observerer denne galaksen 11 milliarder år tilbake, på en tid mindre enn tre milliarder år etter Big Bang. Denne galaksen inneholder unge stjerner med lavt metallinnhold, noe som gjør den sammenlignbar med enda tidligere galakser. Den høyenergetiske ultrafiolette strålingen fra de tidligste stjernene og galaksene ioniserte hydrogengassen mellom galaksene. Denne strålingen kan vi imidlertid ikke observere direkte i dag, og det er usikkert hvordan den unnslapp gjennom tette områder av gass og støv inni galaksene. I dette prosjektet har vi oppdaget det første eksemplet på ioniserende stråling som unnslipper fra en galakse gjennom en smal åpning i et ellers ugjennomsiktig medium (derav navnet "solstreifgalaksen"). En slik type unnslipning har blitt studert teoretisk, men aldri tidligere blitt observert i virkeligheten blant de få kjente galaksene som lekker ioniserende stråling. Det kan ha vært slik den ioniserende strålingen unnslapp fra de tidligste galaksene og bidro til å forme strukturer i universet da det var mindre enn 1 milliard år gammelt. Ved å måle absorpsjon i de tolv bildene fra den samme kilden har vi også kunnet måle merkbare forskjeller i mengden nøytral hydrogengass langs de forskjellige synslinjene, på skalaer mindre enn 1 kiloparsek. Dette er hundre ganger mindre enn de minste skalaene vi tidligere har kunnet måle romlige variasjoner i tettheten av intergalaktisk gass. Vi ledet publikasjonen av disse nye resultatene i tidsskriftet Science. Ved å bruke den lyssterke solstreifgalaksen som bakgrunnslyskilde har vi kunnet måle absorpsjon fra en spiralgalakse som ligge nærmere oss langs den samme synslinjen. Dette gir informasjon om hvordan den omkringliggende gassen beveger seg rundt spiralgalaksen og hvordan den kjemiske sammensetningen av gassen varierer med posisjon. Vi fant asymmetrier i disse målingene av gassen som indikerer en syklisk bevegelse av gass inn og ut av galaksen, som forutsagt av numeriske simuleringer av galakseutvikling. Meget massive dobbeltstjernesystemer er en plausibel kilde til kraftig røntgenstråling og kraftige stjernevinder som kan ha gravd ut kanalene som gjør det mulig for ioniserende stråling å unnslippe galakser som solstreifgalaksen. Denne hypotesen støttes av en annen studie som vi har gjennomført og publisert i tidsskriftet Nature Astronomy i samarbeid med amerikanske kolleger: For første gang målte vi røntgenstråling fra stjernepopulasjoner i en fjern galakse som er forstørret opp av gravitasjonslinse-effekten. I dette tilfellet ser vi 9,5 milliarder år tilbake i tid til en galakse som på flere vis ligner de tidligste galaksene. Vi fant at denne galaksen produserer 10 ganger mer røntgenstråling enn tilsvarende galakser i dag. Dette pionerarbeidet åpner opp et nytt bølgelengdeområde for detaljstudier av fjerne stjernedannende galakser som kan kombineres med tidligere studier av elektromagnetisk stråling på lengre bølgelengder. Vi har også analysert spektra av 19 fjerne gravitasjonslinsede galakser og gjort mere detaljerte målinger av alder og metallinnhold enn man tidligere har klart for stjernepopulasjoner på disse avstandene. Vi har benyttet Nordisk Optisk Teleskop (NOT) til å måle lysvariasjoner i den varme skiven som omgir et supermassivt sort hull som vi observerer 11 milliarder år tilbake i tid. Energien som sendes ut fra områdene omkring slike sorte hull spiller en viktig rolle for å regulere stjernedannelse i galakser. En foreløpig analyse av dataene vi har tatt indikerer at de vil gjøre det mulig å bestemme massen til det sorte hullet. Massebestemmelsen vil bli brukt til å skille mellom forskjellige modeller for hvordan supermassive sorte hull vokser i takt med sine omkringliggende galakser. NOT er også benyttet til å oppdage flere gravitasjonslinsede galakser som er velegnet for JWST-studier.

Prosjektet har gjort omfattende bruk av Hubble Space Telescope og i vesentlig grad styrket den norske vitenskapelige utnyttelsen av dette ESA/NASA-prosjektet. Det vil også lede frem til flere norske bidrag i en tidlig fase av den vitenskapelige utnyttelsen av det fremtidige James Webb Space Telescope. Resultatene fra dette prosjektet har resultert i flere internasjonale pressemeldinger (fra ESA, NASA og AAAS), basert på en norskledet publikasjon i Science som har i vesentlig grad bidratt til å øke synbarheten for det norske forskningsmiljøet innen et internasjonalt høyprofilert grunnforskningsområde (galakser i det tidlige univers).   Det allerede etablerte faglige samarbeidet mellom prosjektleder og forskere ved ledende amerikanske institusjoner har blitt sterkere og bredere som resultat av dette prosjektet, og samarbeidet forventes å vare gjennom tiden JWST er operativ.

Gravitational lenses act as cosmic "magnifying glasses", bringing into view details of the distant universe which would otherwise be unobservable through even our best telescopes and instruments. The project seeks to exploit a set of the most powerful such lenses for studying distant galaxies: (A) In the course of an ongoing programme to follow up galaxy cluster candidates detected by the ESA Planck mission, a serendipitous discovery has been made of what is most likely the brightest gravitationally lensed galaxy in the Universe (Dahle et al. 2016). This discovery presents a unique opportunity to conduct a high-resolution physical study of an actively star forming galaxy, while looking back to a period when the universe was only 25% of its present age. A postdoctoral position is sought to analyse the wide range of ultraviolet, optical, infrared, and millimetre-wavelength data we are proposing for this remarkable object. (B) Another remarkable lens system, where a distant quasar is multiply lensed into six images by a galaxy cluster acting as a foreground lens, presents an unprecedented (and time-critical !) possibility to accurately determine the mass of the supermassive black hole powering the quasar. The time delays between the different quasar images, measured from an ongoing monitoring programme at the Nordic Optical Telescope (NOT), allows us to confidently predict a dramatic surge of brightness of the two brightest quasar images during 2016 - 2018. By mounting a spectroscopic and multi-band photometric campaign covering this period, we will be able to test theories for the co-evolution of supermassive black holes and their surrounding galaxies. (C) Studies of the earliest, most distant galaxies is a key objective of the upcoming James Webb Space Telescope (JWST). A strong gravitational survey using NOT is proposed to identify and characterise the high-mass, high-redshift galaxy cluster lenses which will be optimal for such future studies with JWST.