Galaksernes adfærd i det tidlige univers tiltrækker megen opmærksomhed fra forskere. Faktisk er alt om det tidlige univers under intens videnskabelig undersøgelse af indlysende årsager. Men i modsætning til universets første stjerner, som alle er døde for længe siden, har de galakser, vi ser omkring os – inklusive vores egne – været her siden de tidlige dage.
Nuværende videnskabelig tænkning siger, at i universets tidlige dage voksede galakserne langsomt, og det tog milliarder af år at blive, hvad de er nu. Men nye observationer viser, at det måske ikke er tilfældet.
De nye observationer er fra en undersøgelse kaldet ALPINE (ALMA Large-programmet til at undersøge C+ på et tidligt tidspunkt). ALPINE er et program, der studerer gas- og støvegenskaber hos unge galakser i den tidlige vækstfase kl rødforskydninger z = 4-6.
'Til vores overraskelse var mange af dem meget mere modne, end vi havde forventet.'
Andreas Faisst, IPAC hos Caltech
Undersøgelsen viste, at mange galakser oplevede en vækstspurt mellem 1 og 1,5 milliarder år efter Big Bang. Under den vækstspurt erhvervede galakser en betydelig mængde af deres stjernemasse og støv. De udviklede sig også til de spiralgalakser, som vi ser i dag og fik tungt elementindhold.
I ALPINE-undersøgelsen kiggede et internationalt hold af astronomer på 118 af disse tidlige galakser, der gennemgik vækstspring.
Andreas Faisst er en af forskerne involveret i ALPINE. Faisst er forsker ved Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) ved California Institute of Technology (Caltech) og er også den ledende hovedforsker for ALPINE i USA. I en pressemeddelelse , sagde han, 'Til vores overraskelse var mange af dem meget mere modne, end vi havde forventet.'
ALPINE-projektet undersøger galakser, der er mellem 1 og 1,5 milliarder år efter Big Bang. På den alder er galakser i en overgangsfase mellem primordial og moden. Overgangsfasen er afgørende for at forstå, hvordan galakser blev dannet og udviklet sig. Billedkredit: ALPINE
Det tunge stof med støvindhold i en galakse er det, der adskiller unge galakser fra modne galakser. Kun modne galakser har større mængder af støv og metaller, fordi de er et biprodukt af døende stjerner. Unge galakser har ikke eksisteret længe nok til, at generationer af stjerner kan dø og skabe støvet og metallerne.
Da forskere så på de 118 unge galakser, blev de overraskede over at se så meget støv og så meget metallicitet. Deres tilstedeværelse indikerede, at der allerede havde været mere stjerneaktivitet end antaget. 'Vi forventede ikke at se så meget støv og tunge grundstoffer i disse fjerne galakser,' sagde Faisst.
Daniel Schaerer fra universitetet i Genève er en anden videnskabsmand involveret i ALPINE. 'Fra tidligere undersøgelser forstod vi, at sådanne unge galakser er støvfattige,' sagde Schaerer. 'Men vi finder, at omkring 20 procent af de galakser, der blev samlet i denne tidlige epoke, allerede er meget støvede, og en betydelig del af det ultraviolette lys fra nyfødte stjerner er allerede skjult af dette støv,' tilføjede han.
Det er to af de galakser i det tidlige univers, som ALMA observerede i radiobølger. Galakserne betragtes som mere 'modne' end 'primordiale', fordi de indeholder store mængder støv (gult). ALMA afslørede også gassen (rød), som bruges til at måle den skjulte stjernedannelse og bevægelser i galakserne.
Kredit: B. Saxton NRAO / AUI / NSF, ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), ALPINE team.
Et andet spørgsmål om de tidlige galakser er, hvornår de etablerede rotation, og hvor hurtigt det påvirkede deres struktur. Spiralgalakser som vores egen Mælkevej roterer, og det skaber spiralstrukturen. Mange af galakserne i undersøgelsen viste tegn på rotationsstøttede skiver og forskellige strukturer.
Dette går imod forventningerne.
Ifølge accepteret tankegang skulle de tidlige galakser være mere kaotiske og rodede. Hyppige galaktiske kollisioner og fusioner burde have forhindret så meget struktur i at opstå i en så ung universel alder. 'Vi ser mange galakser, der kolliderer, men vi ser også en række af dem rotere på en velordnet måde uden tegn på kollisioner,' sagde John Silverman fra Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe i Japan.
Kunstnerens animation af en galakse i det tidlige univers, der er meget støvet og viser de første tegn på en rotationsstøttet disk. På dette billede repræsenterer den røde farve gas, og blå/brun repræsenterer støv, som det ses i radiobølger med ALMA. Mange andre galakser er synlige i baggrunden, baseret på optiske data fra VLT og Subaru.
Kredit: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru
Astronomer har tidligere observeret fjerne galakser fra denne tidsperiode, f.eks MAMBO-9 og Wolfe Disk. MAMBO-9 er meget støvet, og den Wolfe Disk har en roterende skive, så de var tegn på, at galakser kunne modnes hurtigere end antaget. Men de kan have været outliers, og det krævede en større undersøgelse som ALPINE for at give forskerne et klarere billede.
Kunstnerindtryk af Wolfe Disk, en massiv roterende diskgalakse i det tidlige, støvede univers. Galaksen blev oprindeligt opdaget, da ALMA undersøgte lyset fra en fjernere kvasar (øverst til venstre). Kredit: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Men selvom ALPINE har identificeret en håndfuld af disse tidlige blomstrende, ved astronomerne stadig ikke, hvordan de voksede op så hurtigt, og hvorfor nogle af dem har roterende skiver i så ung en alder.
SJÆL (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) spillede en stor rolle i dette arbejde. Det er et ekstremt kraftigt radioteleskop, og det er det, der skal til for at se disse fjerne galakser. Mens mange af disse galakser dybest set er usynlige i optisk og infrarødt lys, kan de skinne ret kraftigt i millimeter- og submillimeterstråling. Mens optisk og infrarødt ikke kan trænge igennem de støvede områder, hvor stjerner dannes, eller bevægelsen af gas i disse galakser, kan ALMA. Faktisk savner optiske og infrarøde teleskoper nogle gange hele galakser.
'Med ALMA opdagede vi nogle få fjerne galakser for første gang. Vi kalder disse Hubble-mørke, da de ikke kunne detekteres selv med Hubble-teleskopet,” sagde Lin Yan fra Caltech.
Tre af de retter, der udgør Atacama Large Millimeter/submillimter Array (ALMA). Billedkredit: H. Calderón – ALMA (ESO/NRAO/NAOJ)
Holdet har til hensigt at blive ved med at bruge ALMAs styrke til at prøve at forstå, hvorfor disse unge galakser er så modne. Mens ALPINE var en undersøgelse, der brugte 70 timers observationstid, ville de gerne bruge ALMA til at observere individuelle galakser i længere perioder. »Vi vil gerne se præcis, hvor støvet er, og hvordan gassen bevæger sig rundt. Vi vil også sammenligne de støvede galakser med andre på samme afstand og finde ud af, om der kan være noget særligt ved deres miljøer,” tilføjede Paolo Cassata fra University of Padua i Italien, tidligere ved Universidad de Valparaíso i Chile.
ALMA kan selvfølgelig ikke udføre dette arbejde alene. ALPINE er den største undersøgelse af denne type, hvor flere teleskoper ved forskellige bølgelængder blev brugt til at studere galakser i det tidlige univers. En hel flåde af optiske 'scopes' blev brugt, inklusive Hubble, Keck og VLT. Og Spitzers infrarøde funktioner blev også brugt. Det er umuligt at forstå fjerne galaksers historie uden observationer på tværs af flere bølgelængder.
'Sådan en stor og kompleks undersøgelse er kun mulig takket være samarbejdet mellem flere institutter over hele kloden,' sagde Matthieu Béthermin fra Laboratoire d'Astrophysique de Marseille i Frankrig.