Wallenberg Academy Fellows

Söker saknad materia i fjärran galaxer

De galaxer som Matthew Hayes är mest intresserad av finns långt bort, i universums barndom. Med hjälp av rymdteleskopet Hubble och det markbaserade teleskopet VLT i Chile kartlägger han hur det gick till när stjärnor bildades i tidiga galaxer, och så söker han en lösning på mysteriet med den saknade materian.

På Matthew Hayes skrivbord står en miniatyr av rymdteleskopet Hubble ovanpå en rymdfärja i lego. Hubble cirkulerar sedan 1990 i en omloppsbana 600 kilometer ovanför jorden, och har genom åren försett kosmologer med enorma mängder data som gett ny kunskap om universum.

– Det här är en spännande tid att vara forskare. Inom mitt fält, astrofysik, har det de senaste 10-15 åren skett en total omvandling i förståelsen om hur galaxer bildas.

Matthew Hayes räknar med en minst lika stor kunskapsutveckling kommande decennier, tack vare teknologins framsteg. Om några år, 2018, ersätts Hubble-teleskopet med nästa generation rymdteleskop. James Webb-teleskopet kommer ha mycket högre känslighet och en omloppsbana 1,5 miljoner kilometer ovanför jorden.

– Dessutom planeras mycket stora markbaserade teleskop med tio gånger större spegelyta än dem vi har idag, det första tas i drift 2022.

Men än så länge får Matthew Hayes nöja sig med Hubble och det markbaserade teleskopet Very Large Telescope, VLT, i Chile. Det är med observationer från dessa två teleskop han forskar om gasstrukturer och stjärnbildning i universums tidiga galaxer.

Svårt att se rymdgas

I det universum som går att observera finns det kanske 100 miljarder galaxer, fast den siffran beror på massor av antaganden, poängterar Matthew Hayes. Själv föredrar han galaxer med extrema egenskaper.

– Den lilla fraktion galaxer, en av tusen kanske, som uppvisar verkligt speciella egenskaper i sin stjärnbildning tycker jag om.

För att kunna bilda stjärnor behöver galaxerna bränsle i form av gas. I datorsimuleringar av mycket avlägsna galaxer har man kommit fram till att de var omgivna av gigantiska moln av neutralt väte som strömmat inåt och försett galaxen med bränsle. Galaxerna måste också ha skickat ut kraftig ultraviolett strålning som joniserat gasen. Dessvärre är det svårt att se detta i verkliga observationer.

– Stjärnor är enkla att se, men att upptäcka gas kan vara väldigt svårt. Vi vill med nya observationsmetoder och data från VLT försöka förklara ursprunget till dessa väldigt stora gasmoln och kartlägga hur gastillförseln och stjärnbildning går till.

Matthew Hayes har, tillsammans med forskarkollegor, utvecklat en ny metod för att tolka polariserat av ljus som kommer från platser med väldigt snabb galaxbildning. Polarisering är samma fenomen som används för att skapa 3D-effekt i en biosalong, och uppstår då strålning absorberas och återemitteras av väteatomen i gasen.

”Stödet från Stiftelsen ger mig möjlighet att bygga upp en egen forskargrupp. Det skapar också förutsättningar för mig att ta ett litet steg tillbaka för att tänka och bredda perspektivet på vad som behöver göras för att få en mer heltäckande bild av hur galaxer bildas.”

Saknad materia

I Matthew Hayes dator väntar en vetenskaplig artikel om saknad materia på att bli skickad till tidskriften Science dagen efter intervjun.

– Universum består av cirka 5 procent vanlig materia. När det tidiga universum studeras så finner man all vanlig materia som är förutspådd i kosmologiska modeller. Men när vi försöker att hitta den i galaxer relativt nära oss så saknas ungefär hälften. Så antingen försvinner materian någonstans, vilket verkar osannolikt, eller så existerar den i temperaturer som vi har svårt att observera.

En idé är att gasen expanderar när den bildat stjärnor. Gasen stöts sedan ut och kan hamna i ett slags mellangalaktiskt utrymme där den existerar i en temperatur som är väldigt svår att söka efter i observationer, menar Matthew Hayes. Han visar en Hubble-bild på en kompakt galax där man kan se gas som hettats upp av stjärnbildningen i mitten och sedan kastas ut av galaxen.

– De senaste åren har vi kunnat använda Hubbleteleskopet på ett nytt sätt, som det egentligen inte designats för, för att undersöka den här gasen och verifiera om den här idén om den saknade vanliga materian är sann.

Processerna i rymden lockade 

Matthew Hayes studerade fysik vid Leeds universitet i nordöstra England och fick en doktorandtjänst på Stockholms universitet 2002. Att de fysiska processerna, kraften och energin i rymden är så oändligt mycket större än här på jorden ledde honom in på astrofysiken.

– Även i väldigt kraftfulla laboratorier som CERN är energin man pratar om biljontals gånger mindre än de företeelser som sker naturligt i rymden.

Efter tre år som postdoktor på Universitetet i Genève, Schweiz, och nästan lika länge på IRAP, forskningsinstitutet för astrofysik och planetologi i Toulouse, Frankrike, återvände Matthew Hayes till Stockholms universitet och institutionen för astronomi på AlbaNova.

Fotograferingen sker på taket vid AlbaNova-teleskopet, som främst används i utbildning och när allmänheten bjuds in på visningar. Det är finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och invigdes 2009. Matthew Hayes deltar i utveckling av nya teleskop och satellitidéer.

– Hubble är idag det enda teleskop som kan observera i ultravioletta väglängder. Man måste ha rymdteleskop för det eftersom ozonlagret hejdar UV-strålning att komma in i vår atmosfär. Men vi behöver utveckla nya teleskop för den här typen av observationer.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström