home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.wwiv.com / ftp.wwiv.com.zip / ftp.wwiv.com / pub / BBS / HSTD10.ZIP / HSTBACK.DAT < prev    next >
Text File  |  1995-06-16  |  86KB  |  1 lines

  1. @START@Cosmic Yardsticks                                                                                    Space Science Short                                                                                                                 National Aeronautics and                                                        Space Administration                                                                                                                                            NASA Headquarters                                                               Washington, D.C.                                               October 1994     ______________________________________________________________________________                               Cosmic Yardsticks                                                                                                                  Astronomers gauge the dimensions of space by using "distance indicators"        -- celestial objects with unique properties that allow for their distances to   be deduced.  Reliable distance measurements are a crucial factor in             determining a precise value for the universe's expansion rate (called the       Hubble Constant) which is needed to estimate the size and age of the            universe.  (To calculate the Hubble Constant, astronomers also need to          know how fast a galaxy is moving away from us, measured by spectral             redshift.)                                                                                                                                                      Measuring the distance to a faraway galaxy involves a complicated set of        closely-linked steps.  First, distance indicators within our galaxy are used    as a stepping stone to calibrate other distance indicators in nearby galaxies,  which in turn creates yet another stepping stone to calibrate distances to      even more faraway galaxies.                                                                                                                                     The first rung in the "distance scale ladder" can be found in our Milky         Way neighborhood, in nearby open star clusters such as Hyades and the           Ursa Major cluster.  An open cluster is a collection of young stars with a      common motion in space.  Because the Hyades and the Ursa Major cluster          are close to us, their distances can be derived using radial velocity (motion   toward or away from us) and proper motion measurements of member                stars.  This allows astronomers to obtain the intrinsic brightness, or          luminosity, of different types of stars in these open clusters.                                                                                                 Astronomers then measure the brightness of stars with similar properties in     more distant open clusters.  By assuming that these stars would have the        same intrinsic brightness as their nearby counterparts, a distance to the       remote open clusters is calculated by comparing the apparent and intrinsic      brightness of their member stars.                                                                                                                               To obtain distances to nearby galaxies, astronomers use "primary distance       indicators."  These are objects that can be observed within our galaxy or       have characteristics that can be theoretically modeled.  Examples include       Cepheid variable stars, novae, supernovae, and RR Lyrae stars.                                                                                                  Two well-defined primary distance indicators, or "standard candles," are        the Cepheids and fainter RR Lyrae stars.  They have a regular variation in      brightness, and the period of this pulsation is closely linked to the star's    intrinsic brightness.  So, if the pulsation period of a star is known, its true brightness can be deduced.  The distance to the star can then be calculated     by comparing its true brightness with its apparent brightness.                                                                                                  Cepheid variable stars are often used as distance calibrators for nearby        galaxies.  They are very luminous yellow giant or supergiant stars,             regularly varying in brightness with periods ranging from 1 to 70 days.         This type of star is in a late evolutionary stage, pulsating due to an          imbalance between its inward gravitational pull and outward pressure.                                                                                           Cepheids are found in remote open clusters whose distances are known            from comparison with nearby open clusters.  It is, therefore, possible to       calibrate these Cepheids with an independently obtained ruler ot yardstick.                                                                                     In the past, the best ground-based observations have detected Cepheids in       nearby galaxies within 12 million light-years.  However, all galaxies in this   region have motions due to gravitational attraction of neighboring galaxies.    In order to study the overall expansion of the universe, it is necessary to     reach out to Cepheids in galaxies at least 30 million light-years away.                                                                                         Until the recent Hubble Space Telescope observations of Cepheids in             M100, there were no well-calibrated standard candles observable over this       distance.  Therefore, astronomers have been using other kinds of objects,       called "secondary distance indicators," to probe even deeper into the           universe.                                                                                                                                                       Secondary distance indicators, such as planetary nebulae, supernovae, and       the brightest stars are used in galaxies that are so remote that only           prominent objects can be discerned.  (These secondary indicators are            calibrated in nearer galaxies, where distances are known from resident          primary distance indicators, before being applied to more remote galaxies.)     The galaxies themselves can also be used as secondary distance indicators.      One widely-used strategy, the Tully-Fisher method, uses a correlation           between the internal motions within galaxies (from radio observations of        cold interstellar gas) with their luminosities.  Another method, the            Faber-Jackson relation, looks at the random motions of stars in a galaxy        obtained from spectroscopic measurements.  These relationships are based        on the fact that a more massive galaxy would be more luminous, and would        rotate faster than a less massive galaxy.                                                                                                                       @START@Dark Matter                                                                                          Space Science Short                                                                                                                 National Aeronautics and                                                        Space Administration                                                                                                                                            NASA Headquarters                                                               Washington, D.C.                                              November 1994     ___________________________________________________________________________                                     DARK MATTER                                                                                                                     All visible celestial objects known today account for only 10% of the mass      in the universe. The rest of this "missing mass," also known as "dark           matter," is presumably invisible because it does not emit or reflect visible    light or other forms of electromagnetic radiation.  Or perhaps its light is so  feeble that current astronomical instruments are unable to detect it.           However, dark matter can be indirectly detected due to its gravitational        influence on other nearby visible objects.                                                                                                                      The presence of dark matter was first discovered in 1932 by astronomer          Jan Oort, who measured the perpendicular motions of nearby stars relative       to the disk of our Milky Way. He studied the gravitational influence of the     galactic disk on these stars, and so, was able to measure the mass of the       disk (just as the mass of Earth can be calculated from the acceleration of a    falling object).  To his surprise, this calculated mass was twice the amount    of mass seen as stars and nebulae.  A year later, Fritz Zwicky examined         the dynamics of clusters of galaxies, and also came to the startling            conclusion that the observed galaxies only accounted for 10% of the mass        needed to gravitationally bind the galaxies in the cluster.                                                                                                     One widely-used method to deduce the amount of missing mass involves            measuring the rotation speed of a spiral galaxy.  Spectroscopic and radio       observations have obtained the rotation velocities of hundreds of spiral        galaxies.  These experiments have revealed that, in most cases, a galaxy's      mass continues to increase toward the edge of its visible disk of stars. This   implies that spiral galaxies are surrounded in haloes of matter that cannot     be seen. Observations of elliptical galaxies, groups, and clusters of galaxies  also indicate the presence of dark matter interacting gravitationally with the  visible objects.                                                                                                                                                The nature of dark matter, and its abundance, are among the most                important questions in modern cosmology today.  What is it made of?             Some astronomers believe that dark matter is composed of protons and            neutrons, called baryonic or simply "normal" matter.  Baryonic dark matter      candidates include extra-solar planets, remnants of stellar evolution such as   comets, objects not massive enough to ignite hydrogen fusion called brown       dwarfs, dying embers of stars such as cold white dwarfs and neutron stars,      as well as interstellar and intergalactic gases.                                                                                                                Non-baryonic dark matter, on the other hand, could be elementary particles      that do not interact strongly with normal matter.  Except for the neutrino      particle, many such elementary particles are still in the realm of theory and   have not been detected.                                                                                                                                         Since all visible matter is only a small fraction of the total mass in the      universe, the amount of dark mass that is present will determine the            evolutionary future of the universe.  If there is not enough dark matter to     gravitationally bind the universe together, it could continue expanding         forever.  If there is enough mass in the universe to gravitationally hold it    together, the universe may slow down its expansion, come to a halt, and         begin to contract and eventually collapse.                                                                                                                      The temperature of dark matter in the early universe also may have              determined the early evolution of the universe.  Not long after the Big         Bang and prior to the formation of galaxies, matter began to aggregate          under the influence of gravity.  Dark matter might have provided the            "seeds," a lumpy background in which ordinary matter could congregate to        form galaxies and stars.  If this "cold dark matter" were present, where        particles had a negligible random motion, galaxy formation would begin on       small scales.  Matter would gather in sizes comparable to current galaxies      or smaller, and eventually build to become clusters and superclusters due to    the gravitational attraction of the galaxies.                                                                                                                   If, however, "warm dark matter" was present, it would erase the small           galaxy-sized "seeds" that initially formed.  Instead, enormous gaseous          pancake-like structures as large as superclusters and clusters, are created,    subsequently condensing into individual galaxies.                                                                                                               @START@Stellar Disks and Jets                                                                               SCIENCE BACKGROUND                                  ___________________________________________________________________________                                STELLAR DISKS AND JETS                                                                                                               Stellar jets are analogous to giant lawn sprinklers.  Whether a sprinkler       whirls, pulses or oscillates, it offers insights into how its tiny              mechanism works.  Likewise stellar jets, billions or trillions of miles         long offer some clues to what's happening close into the star at scales         of only millions of miles, which are below even Hubble's ability to             resolve detail. Hubble's new findings address a number of outstanding           questions:                                                                                                                                                      Where Are Jets Made?                                                                                                                                            Hubble shows that a jet comes from close into a star rather than the            surrounding disk of material.  Material either at or near the star is heated    and blasted into space, where it travels for billions of miles before           colliding with interstellar material.                                                                                                                           Why Are Jets So Narrow?                                                                                                                                         The Hubble pictures increase the mystery as to how jets are confined            into a thin beam.  The pictures tend to rule out the earlier notion that a      disk was needed to form a nozzle for collimating the jets, much like a          garden hose nozzle squeezes water to a narrow stream.  One theoretical          possibility is that magnetic fields in the disk might focus the gas into        narrow beams, but there is as yet no direct observational evidence that         magnetic fields are important.                                                                                                                                  What Causes a Jet's Beaded Structure?                                                                                                                           Hubble is solving the puzzle of a unique beaded structure in the jets,          first detected from the ground but never fully understood.                                                                                                      "Before the Hubble observations the emission knots were a mystery,"             said Jeff Hester.  "Many astronomers thought that the knots were the            result of interactions of the jet with the gas that the jet is passing          through, while others thought that the knots were due to 'sputtering'           of the central engine.  We now know that the knots are the result of            sputtering."  Hester bases this conclusion on Hubble images which               show the beads are real clumps of gas plowing through space like a              string of motor boats.  Competing theories, now disproved by Hubble,            suggested a hydrodynamic effect such as shock-diamond patterns                  seen in the exhaust of a jet fighter.                                                                                                                           What Do Jets Tell Us about Star Birth?                                                                                                                          "The jet's clumpy structure is like a stockbroker's ticker tape; they           represent a recorded  history of events that occurred close to the star,"       said Jon Morse.  "The spacing of the clumps in the jet reveals that             variations are occurring on several time scales close to the star where         the jet originates.  Like a "put-put" motor, variations every 20 to 30          years create the strings of blobs we see," Morse concluded.                     "However, every few hundred years or so, a large amplitude                      variation generates a 'whopper' of a knot, which evolves into one               of the major bow-shaped shock waves."  Other Hubble views by                    Chris Burrows reveal new blobs may be ejected every few months.                 "If the circumstellar disk drives the jet then the clumpiness of the            jet provides an indirect measure of irregularities in the disk."                                                                                                Why Are Jets "Kinky"?                                                                                                                                           The Hubble pictures also show clear evidence that jets have unusual             kinks along their path of motion.  This might be evidence for a stellar         companion or planetary system that pulls on the central star, causing           it to wobble, which in turn causes the jet to change directions, like           shaking a garden hose. The jet blast clears out material around the             star, and perhaps determines how much gas finally collapses onto                the star.                                                                                                                                                       Star Formation                                                                                                                                                  A star forms through the gravitational collapse of a vast cloud of              interstellar hydrogen.  According to theory, and confirmed by                   previous Hubble pictures, a dusty disk forms around the newborn star.           As material falls onto the star, some of it can be heated and ejected           along the star's spin axis as opposing jets.  These jets of hot gas blaze       for a relatively short period of the star's life, less than 100,000 years.      However, that brief activity can predestine the star's evolution, since         the final mass of a star determines its longevity, temperature, and             ultimate fate.  The jet might carry away a significant fraction of the          material falling in toward the star, and, like a  hose's water stream           plowing into sand, sweeps out a cavity around the star that prevents            additional gas from falling onto the circumstellar disk.                                                                                                        Historical Background                                                                                                                                           In the early 1950's, American astronomer George Herbig and Mexican              astronomer Guillermo Haro independently catalogued several                      enigmatic "clots" of nebulosity near stars near the  Orion nebula that          have since been called Herbig-Haro objects.  It is only in the last 20          years, however, that the true nature of these objects, and their role           in the star formation process,  has been revealed.  Careful study               showed that many of the Herbig-Haro objects represent portions                  of high-speed jets streaming away from nascent stars.  Now there                are nearly 300 Herbig-Haro objects identified by astronomers around             the world, and the list is growing as new technologies and techniques           are developed to probe the dusty depths of  nearby stellar nurseries.                                                                                           @START@Galaxy Formation                                                                                     Space Science Short                                                                                                                 National Aeronautics and                                                        Space Administration                                                                                                                                            NASA Headquarters                                                               Washington, D.C.                                          December 1994                                      GALAXY FORMATION                                                                                                                   Although astronomers have uncovered many of the details revealing the           life cycles of individual stars, they still do not completely                   understand how galaxies, like our Milky Way, begin and end their                lives.                                                                                                                                                          The problem is that, although stars within the Milky Way may be seen in         a variety of evolutionary stages, few examples of young galaxies are            known, and their images come to us from the most distant edge of our            visible universe.  At these vast, multi-billion-light-year distances,           it becomes increasingly  difficult to determine what role environment           plays in the formation of a galaxy.                                                                                                                             Theoretical investigations indicate that galaxies formed from a diluted         but lumpy mixture of hydrogen and helium gas -- the primordial elements         forged in the Big Bang.  They also indicate that two vastly different           scales of mass prevailed less than 100 million years after the Big              Bang, which ultimately affected the formation of galaxies.                                                                                                      Matter either was clumped into vast collections more than a million             times the mass of the Milky Way, or into small clumps one million times         smaller than the mass of our Milky Way.   Superclusters of galaxies may         have evolved from the former.  Globular clusters -- spherical                   collections of very old, densely packed stars usually found in orbit            around galaxies, like the Milky Way -- may have evolved from the                latter.                                                                                                                                                         Could these globular clusters be the meager leftovers of an ancient,            once-common population of small clumps as predicted by theory?   This           possibility now seems increasingly more  likely.   So the question then         arises:   what formed the  vast majority of the galaxies?                                                                                                       Detailed ground-based and space-based images of distant galaxies are            beginning to turn up some interesting insights into galaxy formation.                                                                                           First, as we look deeper into the universe, galaxies appear to emit             more of their light in the blue part of the visible spectrum.  From             studies of nearby galaxies, blue light is a sign that very young,               massive and luminous stars are forming. Since we see these galaxies as          they were between 5 and 10 billion years ago, we appear to be                   witnessing events that occurred within a few billion years after these          galaxies were formed.                                                                                                                                           Astronomers also have noticed that as they examine the images of these          distant blue galaxies, the images are frequently distorted or contain           what appear to be multiple nuclei.  The Milky Way seen at a similar             great distance would look like a uniformed flattened disk, with a               single bright nucleus -- the galactic center.   Nearby                          "multiple-nuclei" galaxies that have been studied show the cores of             individual galaxies colliding and merging into one single system of             stars and gas.  These collisions are violent, and take millions of              years to play out.  But in at least some instances, such as NGC 1275,           recently observed with the Hubble Space Telescope, galaxy collisions            can actually trigger the formation of massive stars.                                                                                                            In the depths of space, we may be witnessing collisions between smaller         galaxies triggering the formation of massive luminous stars.  The               images, rich in blue light, gives tantalizing evidence that                     "environment" may have been more important than cosmic "genetics."                                                                                              Galactic cannibalism was far more common in the ancient past.  Galaxies         may have grown to their current size by consuming their neighbors.  The         ultimate building blocks may indeed have been the paltry                        million-solar-mass clumps that theoreticians believe were abundant              before the universe was a few million years old.                                                                                                                @START@Grown-Up Galaxies in an Infant Universe                                  Hubble Uncovers New Clues to Galaxy Formation                                                                                                                        National Aeronautics and                                                        Space Administration                                                                                                                                            NASA Headquarters                                                               Washington, D.C.                                 December 1994                                                                                                                SCIENCE BACKGROUND                                                                                                                                The Paradox: Grown-Up Galaxies in an Infant Universe                                                                                                       Hubble Space Telescope's recent observations identify fully formed              elliptical galaxies in a pair of  primordial galaxy clusters that have been     surveyed by teams lead by Mark Dickinson of the Space Telescope                 Science Institute and Duccio Macchetto of the European Space Agency             and the Space Telescope Science Institute.  Although the clusters were          first thought to be extremely distant because of  independent ground-           based observations, the Hubble images provide sharp enough details              to confirm what was only suspected previously.                                                                                                                  The surprise is that elliptical galaxies appeared remarkably "normal"           when the universe was a fraction of its current age, meaning that they          must have formed a short time after the Big Bang.                                                                                                               Dickinson, in studying a cluster that existed when the universe was             nearly one-third its current age, finds that its red galaxies resemble          ordinary elliptical galaxies, the red color coming from a population            of older stars.                                                                                                                                                 This has immediate cosmological implications, since the universe                must have been old enough to accommodate them.  Cosmologies with                high values for the rate of expansion of  space (called  the  Hubble            Constant, which is needed for calculating the age of the universe)              leave little time  for these galaxies to form and evolve to the maturity        we're seeing in the Hubble image,"   Dickinson emphasizes.                                                                                                      Macchetto's observation of a galaxy that existed 12 billion years ago,          or nearly one-tenth the universe's present age, also finds a light              distribution remarkably similar to today's elliptical galaxies. "This           seems to show that elliptical galaxies reach their 'mature' shape very          quickly, during a robust burst of star formation, and then evolve               passively," says Mauro Giavalisco of the Space Telescope Science                Institute.  "Astronomers suspected that this was the case for at least          some ellipticals.  Now, Hubble has  found direct evidence for it."                                                                                              To produce such a shape in a galaxy requires one billion years for the          gas to settle into the center of the galaxy's gravitational field.  Therefore,  these galaxies, which we observe as they were less than two billion years       after the Big Bang, were beginning to form less than one billion years          after the Big Bang!  says Macchetto.                                                                                                                            "Elliptical galaxies are exceptional laboratories for studying stellar          dynamics and evolution," adds Giavalisco, "and the explanation of their         origin is still controversial. This new observational evidence is suggesting    that at least some ellipticals formed via processes such as 'violent            relaxation', where a large grouping of stars will rapidly contract into a       dense cluster. Well known from a theoretical point of view, these               mechanisms of galaxy formation appear to have been confirmed by the             images taken with the Hubble."                                                                                                                                  A Cosmic Zoo of Bizarre Galaxies                                                                                                                                Contrary to the gravitationally "relaxed" and normal looking primordial         elliptical galaxies, the same set of Hubble images tells a remarkable story of  the creation -- and destruction -- of spiral  galaxies in large clusters.                                                                                       In one of the longest exposures taken to date with Hubble, representing         18 hours of continuous observing, Dickinson has uncovered a                     "celestial zoo" of  faint,  compact objects that might be the primordial        building blocks from which spiral galaxies such as our Milky Way                formed. These  irregular bluish fragments, dating back nine billion             years, may ultimately have coalesced into spiral galaxies, he reports.                                                                                          "We see a bewildering range of galaxy shapes. The Hubble image is               like looking at a drop of pond water under a microscope, where we               see a menagerie of strange creatures."   Though Dickinson does not              have a direct measurement of distance, he suspects these objects                are also remote cluster members since they group closely around a               distant radio galaxy (a class of energetic galaxy with a precisely              measured distance) and do not resemble anything seen in the present             universe.                                                                                                                                                       Very few of the bluish objects are recognizable as normal spirals,              although some elongated members might be edge-on disks, Dickinson               concludes.  Among this  zoo  are "tadpole-like'' objects, disturbed and         apparently merging systems dubbed "train-wrecks", a multitude of tiny           shards and fragments, faint dwarf galaxies or possibly an unknown               population of objects.                                                                                                                                          However, Dickinson cautions that the bright blue light of star formation        can dramatically affect apparent galaxy shapes at great distances               (where ultraviolet light is redshifted to visible wavelengths due to the        uniform expansion of space).  "Nevertheless, it is difficult to escape          the impression that evolutionary processes are shaping or disrupting            disk galaxies."                                                                                                                                                 The Violent History of Spiral Galaxies                                                                                                                          While Dickinson sees the birth of spiral galaxies, Alan Dressler's Hubble       images of several rich clusters chronicle the demise of spirals                 inhabiting large clusters. "It seems that almost as soon as  nature             builds spiral galaxies in clusters, it begins tearing them apart," he says.                                                                                     "The cause of this disappearance of spirals from clusters, from four            billion years ago to the present, is unsettled and vigorously debated.          Just the fact that the form of entire galaxies could be altered in so           short a time is important in our attempts to find out how galaxies              formed in the first place,"  Dressler concludes.                                                                                                                The evidence provided by Hubble shows that this large-scale galactic            "demolition derby" could explain why there were so many more spiral             galaxies in rich clusters long ago than there are today.   Apparently,          many spiral galaxies have since been destroyed or disappeared.                  Hubble observations also reveal many unusual objects within the                 clusters that can be considered fragments of galaxies.                                                                                                          "When we look back in time to these clusters, we see many distorted             galaxies -- they appear to  have been disturbed or disrupted  in one            way or another," says Dressler.  "There are so many  little shreds of           galaxies -- it almost looks like galactic debris -- flying around in these      clusters.   Perhaps this is a result of tidal encounters, but at this point     we really don't understand what's happening.   However,  the Hubble             pictures make it pretty clear that it had taken a long  time  for these         star systems to organize and that in their younger forms they were              still easily perturbed."                                                                                                                                        Hubble shows that spiral galaxies could not easily survive in the               dynamic environment of a dense galaxy cluster. Detailed Hubble images           show that these "fragile" disk galaxies were prone to being warped              from their pancake shape.                                                                                                                                       Analysis of the pictures has inspired  several alternate mechanisms             for explaining the galaxy distortion.  One possibility is that the              galaxies were disrupted by mergers and tidal interaction  caused by             close encounters between galaxies in the dense cluster.  Also, there is         evidence from  nearby clusters of galaxies that the hot, high pressure          gas residing in a cluster can work to  remove the gas in the disks of           individual spiral galaxies.                                                                                                                                     Finally, disk galaxies might have been stripped of their mantles of             "dark matter" (unknown material that is  probably not made up of                stars but accounts for a significant fraction of a Galaxy's mass) as            they plunge through the cluster.  Dressler points out that computer             models of  galaxies show that a spherical halo of material is important         to stabilizing a thin disk, so loss of  this material could result in the       disk warping or fracturing, diminishing the galaxy's chance of  survival        as a spiral.                                                                                                                                                    Thankfully, galaxy "bumper cars" took place only in large clusters,             containing hundreds or even thousands of galaxies.  Our Milky Way,              one of the largest members of a Local Group of nearly  two dozen                galaxies, presumably evolved in a far less crowded region of the universe.                                                                                       Finding Primeval Galaxy Clusters                                                                                                                               "We have very likely identified the long-sought population of                   primeval galaxies," Macchetto  reports. Until the Hubble results,               astronomers had searched unsuccessfully for several decades for truly           primeval galaxies, which are hard to find when they are in their very early     phase of  existence.                                                                                                                                            "If you can find the primeval galaxies at the cosmic epoch when they            started to form and  understand their shape, mass, color and brightness,        then chances are that you will develop a  better understanding of               cosmology," comments Giavalisco.                                                                                                                                Macchetto and his team used quasars (bright cores of distant active             galaxies) as beacons to look  for the "shadowing effect" of galaxies            between Earth and the quasar. Their search strategy is based on the             theory that the first galaxies to appear in the  universe were highly           clumped in  space.   Therefore, if a quasar's light is modified by an           intervening galaxy, it more than  likely belongs to a primeval cluster.                                                                                         "All you have to do is to look around the quasar using a specially              developed optical filter,  fine-tuned to observe galaxies at the distance       suggested by the change in the quasar's light,"  Macchetto says.                                                                                                Using this novel technique with ground-based telescopes, the team               looked at the field around quasar Q0000-263 in the constellation                Sculptor and found the farthest "normal" galaxy ever observed, at               a distance of 12 billion years.                                                                                                                                 This observation led Macchetto and Giavalisco to identify a whole               cluster of primeval galaxies in that region of the sky.  Remarkably,            the Hubble has shown that the cluster members are characterized by              a compact shape, supporting the idea that they all underwent a                  similar mechanism of formation.                                                                                                                                 "The very presence of the cluster shows that these large structures             already existed two billion  years after the Big Bang. This is unexpected       and counter to many theories of cluster and galaxy formation," says             Macchetto. "Although nothing conclusive can be stated with only                 one cluster,  now that we know how to search for them we will be  able          to strongly constrain these theories."                                                                                                                          Dickinson selected a candidate cluster for Hubble's sharp vision as a result    of a ground-based infrared survey of the environments of distant  radio         galaxies. Based on the color and the statistical distribution of the galaxies,  Dickinson concluded that a cluster is at the same distance as the radio         galaxy 3C 324, located nine billion light-years away in the constellation       Serpens.      The cluster appeared to have a population of very red galaxies    similar in color to  present-day elliptical galaxies.                                                                                                           Hubble's 18-hour long exposure reveals thousands of faint galaxies near         the limit of what Hubble can detect (29th magnitude). "Though many are          presumably closer or farther than the cluster, since Hubble  is peering         across a tremendous volume of the universe to reach 3C 324, the galaxies        concentrated around 3C 324 are most likely cluster members,  he reports.                                                                                        The Birth of Galaxies                                                                                                                                           Island cities of hundreds of billions of stars each, galaxies allow             astronomers to trace the evolution of matter and structure since the            beginning of the universe in the Big Bang.   Scientists have sought to          understand this evolution ever since American astronomer Edwin                  Hubble sorted nearby galaxies into three fundamental shapes: spiral or          disk-shaped, elliptical, and irregular.                                                                                                                         As the Big Bang theory gained acceptance in the 1950s, astronomers              realized that galaxies simply weren't made the way they appear today            but must evolve over time.  This notion was reinforced by two dramatic          discoveries in the 1960s: the confirmation of the Big Bang by detection         of the cosmic microwave background and the discovery of quasars.                Quasars are theorized to be the active cores of extremely distant galaxies.     Their abundance at great distances clearly shows that galaxies were             at a different evolutionary stage billions of years ago.                                                                                                        However, the fainter "normal" population of early galaxies has been             elusive, because the tiny images of distant galaxies smear into faint           blurs when viewed through Earth's atmosphere.  In the late 1970s,               astronomers found the first evidence that the stellar populations of            galaxies had changed dramatically, even over a relatively small fraction        of the time back toward the Big Bang.  Astronomers also were puzzled            by a specie of  blue galaxies in distant clusters, which disappeared in         our current epoch.                                                                                                                                              Now, Hubble Space Telescope's sharp view at last provides for                   detailed studies of the properties of  early galaxies.  Hubble's initial        results show that the mysterious blue cluster galaxies are mostly spirals,      often with signs of  disturbance that may provide clues about their             disappearance by the present epoch. Paradoxically, elliptical galaxies          appear normal throughout most of the history of the universe, with              little evidence for dramatic changes in their stellar population or shape.                                                                                      @START@Galaxy Shapes                                                                                        Space Science Short                                                                                                                 National Aeronautics and                                                        Space Administration                                                                                                                                            NASA Headquarters                                                               Washington, D.C.                                         December 1994                                         GALAXY SHAPES                                                                                                                    Galaxies come in three major classes distinguished by their                     appearance:  spirals, like the Milky Way, are shaped like pinwheels;            irregulars have no discernible shape at all; and ellipticals are round-         or oval-shaped objects.                                                                                                                                         Spirals and irregulars are typically sites of ongoing star-formation            and therefore contain young stars.  Ellipticals, having finished their          supply of fresh gas, cannot form stars any more and contain mostly very         old stars.                                                                                                                                                      Spiral galaxies are a composite of stars and gas in a disk surrounding          a central bulge, which is rather similar to an elliptical galaxy, just          smaller.  Waves in the disk form the spiral arms and cause the gas to           collapse and form new stars.  Therefore, the disk is rich in young              stars. Older stars are typically found in the bulge.                                                                                                            Elliptical galaxies and the bulges of spirals have been the subject of          several decades of observational and theoretical work.   For decades,           astronomers thought that the rotation rate of these spherical star              systems determined whether they would be round or oval shaped, with the         more rapidly rotating ellipticals being the flattest.                                                                                                           Detailed studies of thousands of ellipticals over the years now suggest         an entirely different picture.  Ellipticals and bulges are supported            against their self-gravity, which would cause them to shrink, by the            random velocities of the stars, pretty much like the motion of                  molecules in a hot gas.  The distribution of stellar motion determines          the final shape of the galaxy, that is whether it is spherical, oblate,         or very flattened.                                                                                                                                              In recent years, astronomers also have discovered that apparently               simple galaxy shapes hide the complex, violent events that occurred in          these galaxies long ago.                                                                                                                                        Some contain dense cores in which millions of stars move in orbits              completely different than stars farther out from the galaxy's center.           In many ways, the cores of some resemble isolated populations                   transplanted from outside the galaxy.  Astronomers are beginning to             believe that these cores are the remains of companion galaxies that             were consumed when they wandered too close to these elliptical galaxies         many millions of years ago.  When galaxies collide, the rapidly                 changing gravitational fields also can synchronize the stellar orbits,          creating great rings of stars which surround some ellipticals like              haloes.                                                                                                                                                         Elliptical galaxies also contain some of the oldest stars in the                universe.  While spirals and irregulars continue to produce new stars           even to the present day, most ellipticals stopped forming stars more            than 10 billion years ago in what must have been one great star-forming         epoch.                                                                                                                                                          Ellipticals contain little or no gas and dust of their own, apparently          having consumed what they had when their stars were born long ago.              Those ellipticals that contain higher concentrations of gas and dust            apparently accumulated the material because they cannibalized their             companion galaxies.                                                                                                                                             The material accumulated from these cannibalizations collides as it             sinks farther and farther into the galaxy's core, and in many                   instances, creates new generations of massive, luminous stars.                  Eventually over the course of millions of years, the gas reaches the            center of the galaxy where supermassive black holes may lie in wait for         a new supply of fuel.                                                                                                                                           @START@Globular Star Clusters                                                                               Space Science Short                                                                                                                 National Aeronautics and                                                        Space Administration                                                                                                                                            NASA Headquarters                                                               Washington, D.C.                                              November 1994     ___________________________________________________________________________                               GLOBULAR STAR CLUSTERS                                                                                                                Globular star clusters are among the oldest objects in our galaxy.  Their       beauty is easily discerned through amateur telescopes that resolve              tightly-packed swarms of glistening stars, suspended in the night sky like      Christmas ornaments.  More than 150 globular star clusters are known to         be associated with the Milky Way Galaxy.  Each cluster contains hundreds        of thousands to a million stars within a volume of 10 to 30 light-years         across.                                                                                                                                                         In 1918, Harlow Shapley recognized the existence and structure of globular      clusters.  By studying the clusters' distribution in the sky and measuring      their distances, he was able to deduce the location of the center of the        Milky Way Galaxy and the Sun's distance from it.  In the 1930s, Edwin P.        Hubble discovered globular clusters in the neighboring Andromeda Galaxy,        and since then globular star clusters have been found surrounding many          other galaxies.                                                                                                                                                 Globular clusters reside within a spherical volume of space called the          "galactic halo," which surrounds the disk of our galaxy.  The clusters orbit    around the galactic center, taking millions of year to complete their highly    elongated, randomly oriented orbits.  Most globular clusters wander as far      as 90 to 120 thousand light-years from the galactic center, and some extend     as far as 300 thousand light-years out.  The motions of these distant           objects, influenced by the gravitational pull of the entire galaxy, allows      astronomers to calculate the amount of mass in the galaxy.  Some recent         estimates reveal that the galaxy is 500 billion times the mass of the Sun.      This estimate is significantly higher than the mass contributed by visible      stars and nubulae alone, indicating that there is a great amount of unseen      dark matter in the galaxy.                                                                                                                                      When compared to the Sun and other stars of the galactic disk, globular         cluster stars appear to be deficient in heavy elements.  This indicates that    they are ancient objects, made from the pristine gas that condensed to form     the galaxy long ago.  However, about 20% of globular clusters are slightly      richer in heavy elements compared to their counterparts, and are, therefore,    presumably younger.                                                                                                                                             Although chemical composition differs from one cluster to the next, all         member stars within a given cluster have a similar composition, indicating      that they were born from the same cloud. This provides a unique                 opportunity for the study of stellar evolution.  Yet each star began life with  a different mass.  By observing the luminosity and temperatures of their        current states, astronomers are learning a great deal about the life cycles of  stars.                                                                                                                                                          Globular clusters contain mostly low-mass stars that are so tightly packed      together that the density of stars near the center is about 2 stars per cubic   light-year.  In comparison, our solar neighborhood has about one star per       300 cubic light-years.  If you were looking into the sky from a hypothetical    planet in the middle of a globular cluster, like 47 Tucanae, you would be       surrounded in a perpetual twilight cast by the light of thousands of nearby     stars.                                                                                                                                                          @START@The Hubble Constant                                                                                  Space Science Short                                                                                                                 National Aeronautics and                                                        Space Administration                                                                                                                                            NASA Headquarters                                                               Washington, D.C.                                               October 1994     ______________________________________________________________________________                              The Hubble Constant                                                                                                                 The Hubble Constant (Ho) is one of the most important numbers in                cosmology because it is needed to estimate the size and age of the              universe.  This long-sought number indicates the rate at which the universe     is expanding, from the primordial "Big Bang."                                                                                                                   The Hubble Constant can be used to determine the intrinsic brightness and       masses of stars in nearby galaxies, examine those same properties in more       distant galaxies and galaxy clusters, deduce the amount of dark matter          present in the universe, obtain the scale size of faraway galaxy clusters,      and serve as a test for theoretical cosmological models.                                                                                                        In 1929, American astronomer Edwin Hubble announced his discovery that          galaxies, from all directions, appeared to be moving away from us.  This        phenomenon was observed as a displacement of known spectral lines               towards the red-end of a galaxy's spectrum (when compared to the same           spectral lines from a source on Earth).  This redshift appeared to have a       larger displacement for faint, presumably further, galaxies.  Hence, the        farther a galaxy, the faster it is receding from Earth.                                                                                                         The Hubble Constant can be stated as a simple mathematical expression,          Ho = v/d, where v is the galaxy's radial outward velocity (in other words,      motion along our line-of-sight), d is the galaxy's distance from earth, and     Ho is the current value of the Hubble Constant.                                                                                                                 However, obtaining a true value for Ho is very complicated.  Astronomers        need two measurements.  First, spectroscopic observations reveal the            galaxy's redshift, indicating its radial velocity.  The second measurement,     the most difficult value to determine, is the galaxy's precise distance from    earth.  Reliable "distance indicators," such as variable stars and supernovae,  must be found in galaxies.  The value of Ho itself must be cautiously           derived from a sample of galaxies that are far enough away that motions         due to local gravitational influences are negligibly small.                                                                                                     The units of the Hubble Constant are "kilometers per second per                 megaparsec."  In other words, for each megaparsec of distance, the velocity     of a distant object appears to increase by some value.  (A megaparsec is        3.26 million light-years.)  For example, if the Hubble  Constant was            determined to be 50 km/s/Mpc, a galaxy at 10 Mpc, would have a redshift         corresponding to a radial velocity of 500 km/s.                                                                                                                 The value of the Hubble Constant initially obtained by Edwin Hubble was         around 500 km/s/Mpc, and has since been radically revised because initial       assumptions about stars yielded underestimated distances.                                                                                                       For the past three decades, there have been two major lines of investigation    into the Hubble Constant.  One team, associated with Allan Sandage of the       Carnegie Institutions, has derived a value for Ho around 50 km/s/Mpc.  The      other team, associated with Gerard DeVaucouleurs of the University of           Texas, has obtained values that indicate Ho to be around 100 km/s/Mpc.  A       long-term, key program for HST is to refine the value of the Hubble             Constant.                                                                                                                                                       @START@The Search for the Kuiper Belt                                                                       SCIENCE BACKGROUND                                                                                                                                       THE SEARCH FOR THE KUIPER BELT                                                                                                             In 1950, Dutch astronomer Jan Oort hypothesized that comets came from a         vast shell of icy bodies about 50,000 times farther from the Sun than           Earth is.  A year later astronomer Gerard Kuiper suggested that some            comet-like debris from the formation of the solar system should also be         just beyond Neptune.  In fact, he argued, it would be unusual not to            find such a continuum of particles since this would imply the                   primordial solar system has a discrete "edge."                                                                                                                  This notion was reinforced by the realization that there is a separate          population of comets, called the Jupiter family, that behave strikingly         different than those coming from the far reaches of the Oort cloud.             Besides orbiting the Sun in less than 20 years (as opposed to 200               million years for an Oort member), the comets are unique because their          orbits lie near the plane of the Earth's orbit around the Sun.  In              addition, all these comets go around the Sun in the same direction as           the planets.                                                                                                                                                    Kuiper's hypothesis was reinforced in the early 1980s when computer             simulations of the solar system's formation predicted that a disk of            debris should naturally form around the edge of the solar system.               According to this scenario, planets would have agglomerated quickly in          the inner region of the Sun's primordial circumstellar disk, and                gravitationally swept up residual debris.  However, beyond Neptune, the         last of the gas giants, there should be a debris-field of icy objects           that never coalesced to form planets.                                                                                                                           The Kuiper belt remained theory until the 1992 detection of a 150-mile          wide body, called 1992QB1 at the distance of the suspected belt.                Several similar-sized objects were discovered quickly confirming the            Kuiper belt was real. The planet Pluto, discovered in 1930, is                  considered the largest member of this Kuiper belt region.  Also,                Neptune's satellites, Triton and Nereid, and Saturn's satellite, Phoebe         are in unusual orbits and may be captured Kuiper belt objects.                                                                                                  Observational Techniques                                                                                                                                        To isolate and subtract the effects of cosmic ray strikes on the WFPC           2's electronic detectors, which could mimic the faint signature of a            comet, thirty-four images were taken of the same piece of sky.  The             cosmic ray hits change from picture to picture, but real objects remain         constant.  However, pinpointing comets was even trickier because they           drift slowly along their orbit about the Sun.  Although the orbital             periods of these objects are 200 years or longer, the HST has                   sufficient spatial resolution to see them move in just a few minutes.           This means the comets change position from picture to picture, just as          cosmic ray strikes would.  However, cosmic ray strikes are randomly             placed events while the motions of the comets are well defined.                                                                                                 To distinguish between the comets and cosmic ray effects, the 34 images         were then digitally shifted and stacked to the predicted offset to              account for the expected drift rate of comets.  It's like having a              fixed camera on a tripod take a rapid series of snapshots of someone            walking in front of the lens.  The resulting snapshots could be stacked         so that the person appeared stationary.                                                                                                                         The researchers tested the reliability of this approach by shifting the         stacked pictures in the opposite direction of the expected comets'              motion.  Ideally, no comets should have appeared, but random alignments         added up to 24 anomalous detections.                                                                                                                            When the team stack-shifted the pictures in the direction of the                predicted comet motion, they came up with 53 objects.  Assuming that 24         of these are, statistically, anomalous too, leaves a remainder of 29            objects considered "real."                                                                                                                                      The shift-stack technique was further tested by dividing the images             into two groups and running an automated search algorithm to look for           objects that showed up in the same position on sets of exposures.                                                                                               @START@Mars: A Cooler, Cleaner World                                                                       SCIENCE BACKGROUNDER                                               HUBBLE MONITORS WEATHER ON NEIGHBORING PLANETS                                                                                                    MARS: A COOLER, CLEARER WORLD                                                                                                                                   Four years, (or two Mars years') worth of Hubble observations show that         the Red Planet's climate has changed since the mid-1970's.  "The Hubble         results show us that the Viking years are not the rule, and perhaps not         typical.  Our early assumptions about the Martian climate were wrong,"          said Philip James of the University of Toledo.                                                                                                                  "There has been a global drop in temperature.  The planet is cooler and         the atmosphere clearer than seen before," said Steven Lee of the                University of Colorado in Boulder.  "This shows the need for continuous         monitoring of Mars. Space probes provided a close-up look, but it's             difficult to extrapolate to long-term conditions based upon these brief         encounters."                                                                                                                                                    The researchers attribute the cooling of the Martian atmosphere to              diminished dust storm activity, which was rampant when a pair of NASA           Viking orbiter and lander spacecraft arrived at Mars in 1976.  Two              major dust storms occurred during the first year of the Viking visits,          which left fine dust particles suspended in the Martian atmosphere for          longer than normal.  Warmed by the Sun, these dust particles (some only         a micron in diameter, about the size of smoke particles) are the                primary source of heat in the Martian atmosphere.                                                                                                               "Hubble is showing that our early understanding based on these visits           is wrong.  We just happened to visit Mars when it was dusty, and now            the dust has settled out," Lee said.  "We are going to have to look at          Mars for many years to truly understand the workings of the climate,"           said Todd Clancy, of the Space Science Institute, Boulder, Colorado.                                                                                            Knowledge about the Martian climate has been limited by the fact that           ground-based telescopes can only see weather details when Earth and             Mars are closest -- an event called opposition -- that happens only             once every two years.  Though Hubble has observed Mars only for four            years, the observations are equivalent to 15 years of ground- based             observing because Hubble can follow seasonal changes through most of            Mars' orbit.                                                                                                                                                    Though the Mariner and Viking series of flyby, orbiter and lander               spacecraft that visited Mars in the late 60's and 70's provided a               close-up look at Martian weather, these were snapshots of the planet's          complex climate.  Hubble provides the advantage of a global view - much         like the satellites that monitor Earth's weather, and can follow                martian seasonal changes over many years.  When Mars is closest to              Earth, Hubble returns near-weather satellite resolution.                                                                                                        MARS --  NO LACK OF OZONE                                                                                                                                       Although there has been concern about a lack of ozone (a form of                molecular oxygen created by the effects of sunlight on an atmosphere),          dubbed the "ozone hole" over Earth's poles, there are no ozone holes on         Mars.  By contrast, the planet has a surplus of ozone over its northern         polar cap, as first identified by the Mariner 9 spacecraft in 1971.             (However the Martian atmosphere is different enough from Earth's that           few parallels can be drawn about processes controlling the production           and destruction of ozone.) Hubble's ultraviolet sensitivity is ideal            for monitoring ozone levels on a global scale.  The Martian ozone is            yet another indication the planet has grown drier, because the water in         the atmosphere that normally destroys ozone has frozen-out to become            ice-crystal clouds.  Spectroscopic observations made with the Faint             Object Spectrograph (FOS) show that ozone now extends down from Mars'           north pole to mid and lower latitudes.  However, the Martian atmosphere         is so thin, even this added ozone would offer future human explorers            little protection from the Sun's harmful ultraviolet rays.                                                                                                      SEASONS ON MARS                                                                                                                                                 The fourth planet from the Sun, Mars is one of the most intensely               scrutinized worlds because of its Earth-like characteristics.  Mars is          tilted on its axis by about the same amount Earth is, hence Mars goes           through seasonal changes.  However, because Mars' atmosphere is much            thinner than Earth's, it is far more sensitive to minor changes in the          amount of light and heat received from the Sun.  This is intensified by         Mars' orbit that is more elliptical than Earth's, so it's range of              distance from the Sun is greater during the Martian year.  Mars is now          so distant, the sun is nearly 25% dimmer than average.  This chills             Mars' average temperature by 36 degrees Fahrenheit (20 degrees                  Kelvin).  At these cold temperatures, water vapor at low altitudes              freezes out to form ice-crystal clouds now seen in abundance by                 Hubble.                                                                                                                                                         "Clouds weren't considered to be very important to the Martian climate          during the Viking visits because they were so scarce," says Clancy.             "Now we can see where they may play a role in transporting water                between the north and south poles during the Martian year."  Seasonal           winds also play a major role is transporting dust across Mars' surface,         and rapidly changing the appearance of a region. This gave early                astronomers the misperception that Mars' shifting surface color was             evidence of vegetation following a season cycle.                                                                                                                As clearly seen in the Hubble images, past dust storms in Mars'                 southern hemisphere have scoured the plains of fine light dust and              transported the dust northward.  This leaves behind a relatively                coarser, less reflective sand in the southern hemisphere.                                                                                                       VENUS:  NO EVIDENCE FOR NEW VOLCANIC ERUPTIONS                                                                                                                  Hubble spectroscopic observations of Venus taken with the Goddard High          Resolution Spectrograph provide a new opportunity to look for evidence          of volcanic activity on the planet's surface.  Though radar maps of the         Venusian surface taken by the Magellan orbiter revealed numerous                volcanoes, Magellan did not find clear cut evidence for active                  volcanoes.                                                                                                                                                      Hubble can trace atmospheric changes that might be driven by                    volcanism.  An abundance of sulfur dioxide in the atmosphere could be a         tell-tale sign of an active volcanos.  Sulfur dioxide was first                 detected by the Venus Pioneer probe in the late 1970s and has been              declining ever since.  The Hubble observations show that sulfur dioxide         levels continue to decline.  This means there is no evidence for the            recurrence of large scale volcanic eruptions in the last few years.                                                                                             Ejected high into Venus' murky atmosphere, this sulfur dioxide is               broken apart by sunlight to make an acid rain of concentrated sulfuric          acid.  This is similar to what happens on Earth above coal-burning              power plants - but on a much larger and more intense scale.                                                                                                     FUTURE PLANS                                                                                                                                                    More Hubble observations of Mars and Venus are critical to planning             visits by future space probes.  In particular, both robotic and human           missions to Mars will need to be targeted for times during the Martian          year when there is a minimal chance of getting caught in a dust storm.          Knowing whether the atmosphere is relatively hot or cold is crucial to          planning aerobraking maneuvers, where spacecraft use the aerodynamic            drag of an atmosphere to slow down and enter an orbit around the                planet.  This reduces the amount of propellant needed for the journey.          "If the atmosphere is more extended than expected the added friction            could burn up an aerobraking spacecraft, just as Earth's atmosphere             incinerates infalling meteors," says James.                                                                                                                     Ultimately, knowing the Martian climate will be an fundamental                  prerequisite for any future plans to establish a permanent human                outpost on the Red Planet.                                                                                                                                      @START@Uranus                                                                                              Space Science Shorts                                                                                               November 1994     ---------------------------------------------------------------------------                                                                                     HUBBLE OBSERVES URANUS                                                                                                                                          The Wide Field/Planetary Camera 2 of NASA's Hubble Space Telescope              provided the first detailed view of Uranus, its satellites and the ring         structure, since  the 1986 fly-by of the planet by the Voyager 2 spacecraft.    During the Voyager encounter ten new satellites were discovered and             precise orbits were determined.  Since then, none of these inner satellites     has been further observed, and no detailed observations of the rings have       been possible.                                                                                                                                                                                                                                  ORBITS OF URANUS' SATELLITES                                                                                                                                    Detailed measurements of the positions and motions of the inner satellites      of Uranus will allow their orbits to be calculated more precisely.  This in     turn will allow the further investigation of the unusual resonances (ratios of  their orbital periods) which have been found among the inner satellites of      Uranus.  With this increase in accuracy, astronomers can better probe the       unusual dynamics of this complicated system.  Though initial data on the        positions and motions of the satellite were obtained by Voyager 2, the          moons have orbited about the planet nearly 10,000 times since the 1986          fly-by.  By measuring current satellite positions, the "accumulated" effects    of small errors in satellite motions since the time of the Voyager 2            encounter can be determined and precise corrections can be made to orbital      elements, calculated from Voyager data.                                                                                                                                                                                                         COLORS AND BRIGHTNESS OF URANUS' SATELLITES                                                                                                                     Hubble can help reveal the mineralogical composition of the moons by            observing the brightness of the inner satellites in four different colors.  Thismay permit a more detailed understanding of the origin or source of the         satellites, and how Uranus' satellite system has evolved since the planet's     formation 4.5 billion years ago.                                                                                                                                                                                                                THE EPSILON RING                                                                                                                                                Uranus' ring system was discovered in March, 1977 from ground-based             observations of stellar occultations, where the star "blinked" as it passed     behind each ring.  Details about the rings, including structure and             brightness, were not determined until the Voyager 2 fly-by in 1986.  In the     HST observations, the bright outermost epsilon ring can be clearly seen         and accurate measurement of brightness and color (photometry) is now            feasible.  Structure related to the inner rings is also visible.  Accurate      photometry on the epsilon ring may indicate the source, or origin, of the       particles that compose the rings.                                                                                                                                                                                                               CLOUD STRUCTURE IN UPPER ATMOSPHERE                                                                                                                             HST reveals a pair of bright clouds (20oS and 35oS latitude) in Uranus'         southern (Sun pointing) hemisphere.  Similar structures were observed by        Voyager during the fly-by, though the apparent increase in contrast may be      due to the different Sun illumination since the Voyager fly-by.  Then, the      Sun was over the "south pole" and there were no variations in the position      of the Sun during a day.  At present, there are seasonal illumination           changes since the orbital motion has moved the pole about 35o away from         the Sun.  These observations may provide information on this unique             system which, during some portions of the "year," has normal daily              variations of sunlight and, during other seasons when the Sun "hangs" over      the south pole, has no daily changes in sunlight.                               @END@