Το 2012, ξεκίνησε επίσημα το πρόγραμμα Hubble Space Telescope Frontier Fields (γνωστό και ως Hubble Deep Fields Initiative 2012). Ο σκοπός αυτού του έργου ήταν να μελετήσει τους αμυδρότερους και πιο απομακρυσμένους γαλαξίες στο Σύμπαν χρησιμοποιώντας την τεχνική βαρυτικού φακού, προωθώντας έτσι τις γνώσεις μας για τον πρώιμο σχηματισμό γαλαξιών. Μέχρι το 2017, το πρόγραμμα Frontier Field ολοκληρώθηκε και ξεκίνησε η σκληρή ανάλυση όλων των δεδομένων που συνέλεξε.
Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ευρήματα στα δεδομένα των Frontier Fields ήταν η ανακάλυψη γαλαξιών χαμηλής μάζας με υψηλούς ρυθμούς σχηματισμού αστεριών. Αφού εξέτασε τα "παράλληλα πεδία" για τους Abell 2744 και MACS J0416.1-2403 - δύο σμήνες γαλαξιών που μελετήθηκαν από το πρόγραμμα - ένα ζευγάρι αστρονόμων σημείωσε την παρουσία αυτού που αναφέρονται ως "Little Blue Dots" (LBDs), ένα εύρημα που έχει επιπτώσεις στον σχηματισμό γαλαξιών και σφαιρικών συστάδων.
Η μελέτη που περιγράφει λεπτομερώς τα ευρήματά τους εμφανίστηκε πρόσφατα στο διαδίκτυο με τον τίτλο «Μικρές μπλε κουκίδες στα διαστημικά πεδία διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble: πρόδρομοι των σφαιρικών σμήνων;». Η ομάδα μελέτης αποτελούνταν από τον Δρ Debra Meloy Elmegreen - καθηγητή αστρονομίας στο Vassar College - και τον Dr. Bruce G. Elmegreen, αστρονόμο με το τμήμα έρευνας της IBM στο T.J. Watson Research Center στο Yorktown Heights.
Με απλά λόγια, το πρόγραμμα Frontier Fields χρησιμοποίησε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble για να παρατηρήσει έξι ογκώδεις συστάδες γαλαξιών σε οπτικά και σχεδόν υπέρυθρα μήκη κύματος - με την Advanced Camera for Surveys (ACS) και την Wide Field Camera 3 (WFC3), αντίστοιχα. Αυτοί οι τεράστιοι γαλαξίες χρησιμοποιήθηκαν για να μεγεθύνουν και να τεντώσουν εικόνες απομακρυσμένων γαλαξιών που βρίσκονται πίσω τους, οι οποίες αλλιώς ήταν πολύ αχνείς για να δουν άμεσα το Χαμπλ (γνωστός και ως βαρυτικός φακός).
Ενώ μια από αυτές τις κάμερες Hubble θα έβλεπε ένα σμήνος γαλαξιών, η άλλη θα έβλεπε ταυτόχρονα ένα παρακείμενο κομμάτι του ουρανού. Αυτά τα παρακείμενα μπαλώματα είναι γνωστά ως «παράλληλα πεδία», αλλιώς εξασθενημένες περιοχές που παρέχουν μερικά από τα βαθύτερα βλέμματα στο πρώιμο Σύμπαν. Όπως είπε ο Δρ Bruce Elmegreen στο Space Magazine μέσω email:
«Ο σκοπός του προγράμματος HFF είναι να τραβήξει βαθιές εικόνες 6 περιοχών του ουρανού όπου υπάρχουν σμήνες γαλαξιών, επειδή αυτά τα σμήνη μεγεθύνουν τους γαλαξίες φόντου μέσω του φακού βαρύτητας. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να δούμε περισσότερο από την απλή απεικόνιση μόνο του ουρανού. Πολλοί γαλαξίες έχουν μελετηθεί χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική μεγέθυνσης. Τα σμήνη των γαλαξιών είναι σημαντικά, διότι είναι μεγάλες συγκεντρώσεις μάζας που κάνουν ισχυρούς βαρυτικούς φακούς. "
Αυτά τα έξι γαλαξιακά σμήνη που χρησιμοποιήθηκαν για χάρη του έργου περιελάμβαναν τα Abell 2744, MACS J0416.1-2403 και τα παράλληλα πεδία τους, τα τελευταία από τα οποία ήταν το επίκεντρο αυτής της μελέτης. Αυτά και τα άλλα σμήνη χρησιμοποιήθηκαν για να βρουν γαλαξίες που υπήρχαν μόλις 600 έως 900 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang. Αυτοί οι γαλαξίες και οι αντίστοιχοι παραλληλισμοί τους είχαν ήδη καταγραφεί χρησιμοποιώντας αλγόριθμους υπολογιστών που βρήκαν αυτόματα γαλαξίες στις εικόνες και καθόρισαν τις ιδιότητές τους.
Καθώς το ερευνητικό δίδυμο συνεχίζει να εξηγεί στη μελέτη τους, πρόσφατες σε βάθος έρευνες μεγάλης κλίμακας έχουν επιτρέψει μελέτες μικρότερων γαλαξιών σε υψηλότερες μετακινήσεις. Σε αυτά περιλαμβάνονται τα «πράσινα μπιζέλια» - φωτεινοί, συμπαγείς και χαμηλής μάζας γαλαξίες με υψηλούς ειδικούς ρυθμούς σχηματισμού αστεριών - και ακόμη και «βατόμουρα» χαμηλότερης μάζας, μικροί γαλαξίες αστεριών που είναι μια ελαφρά επέκταση των πράσινων μπιζελιών που δείχνουν επίσης έντονα ποσοστά σχηματισμού αστεριών .
Χρησιμοποιώντας τους προαναφερθέντες καταλόγους και εξετάζοντας τα παράλληλα πεδία για τα Abell 2744 και MACS J0416.1-2403, η ομάδα έψαχνε για άλλα παραδείγματα γαλαξιών χαμηλής μάζας με υψηλά ποσοστά σχηματισμού αστεριών. Ο σκοπός αυτού ήταν να μετρηθούν οι ιδιότητες αυτών των νάνων γαλαξιών και να διαπιστωθεί εάν κάποια από τις θέσεις τους ταιριάζει με το πού είναι γνωστό ότι σχηματίζονται σφαιρικές συστάδες.
Αυτό που βρήκαν ήταν αυτό που αναφέρονται ως «Μικρές μπλε κουκκίδες» (LBS), οι οποίες είναι ακόμη και εκδόσεις «βατόμουρων» χαμηλότερης μάζας. Η Debra Elmegreen είπε στο Space Magazine μέσω email:
«Όταν εξέταζα τις εικόνες (υπάρχουν περίπου 3400 γαλαξίες που εντοπίστηκαν σε κάθε πεδίο), παρατήρησα περιστασιακούς γαλαξίες που εμφανίστηκαν ως μικρές μπλε κουκκίδες, κάτι που ήταν πολύ ενδιαφέρον λόγω της προηγούμενης θεωρητικής εργασίας του Μπρους για τους νάνους γαλαξίες. Οι δημοσιευμένοι κατάλογοι περιελάμβαναν ερυθρές μετατοπίσεις και ρυθμούς σχηματισμού αστεριών και μάζες για κάθε γαλαξία και αποδεικνύεται ότι οι μικρές μπλε κουκίδες είναι γαλαξίες χαμηλής μάζας με πολύ υψηλούς ρυθμούς σχηματισμού αστεριών για τη μάζα τους. "
Αυτοί οι γαλαξίες δεν εμφάνισαν δομή, οπότε η Ντέμπρα και ο Μπρους στοίβαξαν τις εικόνες των γαλαξιών σε 3 διαφορετικές σειρές ερυθρού βάρδιου (οι οποίες δούλευαν σε περίπου 20 γαλαξίες το καθένα) για να δημιουργήσουν βαθύτερες εικόνες. «Ακόμα δεν έδειξαν δομή ή εξασθενημένο εκτεταμένο εξωτερικό δίσκο», δήλωσε η Ντέμπρα, «οπότε βρίσκονται στο όριο της ανάλυσης, με μέσο μέγεθος 100-200 parsecs (περίπου 300-600 έτη φωτός) και μάζες μερικών εκατομμυρίων φορές μάζα του ήλιου μας. "
Στο τέλος, διαπίστωσαν ότι σε αυτά τα LBD, τα ποσοστά σχηματισμού αστεριών ήταν πολύ υψηλά. Σημείωσαν επίσης ότι αυτοί οι νάνοι γαλαξίες ήταν πολύ νέοι, καθώς ήταν λιγότερο από το 1% της ηλικίας του Σύμπαντος τη στιγμή που παρατηρήθηκαν. «Έτσι οι μικροσκοπικοί γαλαξίες μόλις σχηματίστηκαν,» είπε ο Bruce, «και οι ρυθμοί σχηματισμού των αστεριών τους είναι αρκετά υψηλοί για να αντιστοιχούν στα σφαιρικά σμήνη, ίσως ένα σε κάθε LBD, όταν το αστέρι εκρήγνυται μέσα τους μετά από μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. "
Η Debra και ο Bruce Elmegreen δεν είναι ξένοι στους υψηλούς γαλαξίες με ερυθρή μετατόπιση. Το 2012, ο Bruce δημοσίευσε μια εφημερίδα που πρότεινε ότι τα σφαιρικά σμήνη που περιστρέφονται γύρω από τον Γαλαξία (και τους περισσότερους άλλους γαλαξίες) σχηματίστηκαν σε νάνους γαλαξίες κατά τη διάρκεια του πρώτου Σύμπαντος. Αυτοί οι νάνοι γαλαξίες θα είχαν έκτοτε αποκτήσει μεγαλύτεροι γαλαξίες όπως οι δικοί μας, και τα σμήνη είναι ουσιαστικά τα απομεινάρια τους.
Τα σφαιρικά σμήνη είναι ουσιαστικά τεράστια σμήνη αστεριών που περιστρέφονται γύρω από το Γαλαξία. Συνήθως είναι περίπου 1 εκατομμύριο ηλιακές μάζες και αποτελούνται από αστέρια που είναι πολύ παλιά - κάπου της τάξης των 10 έως 13 δισεκατομμυρίων ετών. Πέρα από τον Γαλαξία, πολλοί εμφανίζονται σε κοινές τροχιές και στον Γαλαξία της Ανδρομέδας, μερικοί εμφανίζονται ακόμη και συνδεδεμένοι από μια ροή αστεριών.
Όπως εξήγησε ο Μπρους, είναι ένα συναρπαστικό επιχείρημα για τη θεωρία ότι οι σφαιρικές συστάδες σχηματίστηκαν από νάνους γαλαξίες στις αρχές του Σύμπαντος:
«Αυτό υποδηλώνει ότι τα σφαιρικά σμήνη με φτωχή μέταλλα είναι τα πυκνά υπολείμματα μικρών γαλαξιών που έχουν συλληφθεί από μεγαλύτερους γαλαξίες, όπως ο Γαλαξίας, και διαλύονται από παλιρροιακές δυνάμεις. Αυτή η ιδέα για την προέλευση των σφαιρικών σμήνων φωτοστέφανου ξεκινά αρκετές δεκαετίες… Θα ήταν μόνο το φτωχό μέταλλο που είναι έτσι, που είναι περίπου το ήμισυ του συνόλου, επειδή οι νάνοι γαλαξίες είναι φτωχοί μετάλλων σε σύγκριση με τους μεγάλους γαλαξίες, και ήταν επίσης πιο φτωχά μέταλλα στον πρώιμο κόσμο. "
Αυτή η μελέτη έχει πολλές επιπτώσεις στην κατανόησή μας για το πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν, που ήταν ο κύριος στόχος του προγράμματος Hubble Frontier Fields. Εξετάζοντας αντικείμενα στο πρώιμο Σύμπαν και προσδιορίζοντας τις ιδιότητές τους, οι επιστήμονες μπορούν να προσδιορίσουν πώς προέρχονται πραγματικά οι δομές που γνωρίζουμε σήμερα - δηλαδή αστέρια, γαλαξίες, σμήνη κ.λπ. -.
Αυτές οι ίδιες μελέτες επιτρέπουν επίσης στους επιστήμονες να κάνουν μορφωμένες υποθέσεις για το πού πηγαίνει το Σύμπαν και τι θα γίνει από αυτές τις ίδιες δομές εκατομμύρια ή ακόμη και δισεκατομμύρια χρόνια από τώρα. Εν ολίγοις, γνωρίζοντας πού μας άφησε να προβλέψουμε πού κατευθυνόμαστε!
