De finns där ute; små, extremt svaga och otroligt uråldriga dvärggalaxer med så få stjärnor att forskarna kallar dem 'spökgalaxer.' NASA:s rymdteleskop Hubble tog bilder av tre av dessa små yngelgalaxer i hopp om att reda ut ett mysterium 13 miljarder år på väg.
Astronomer tror att dessa små, spökliknande galaxer som finns vid sidan av Vintergatans galax är bland de äldsta, minsta och mest orörda galaxerna i universum. Hubble-vyer avslöjar att deras stjärnor delar samma födelsedatum. Galaxerna började alla bilda stjärnor för mer än 13 miljarder år sedan men slutade sedan plötsligt inom bara en miljard år efter att universum föddes.
'Dessa galaxer är alla uråldriga och de är alla i samma ålder, så du vet att något kom ner som en giljotin och stängde av stjärnbildningen samtidigt i dessa galaxer', säger Tom Brown från Space Telescope Science Institute i Baltimore , Md., studiens ledare. 'Den mest troliga förklaringen är återjonisering.'
Återjoniseringen av universum började under de första miljarderna åren efter Big Bang. Under denna tid slog strålning från de första stjärnorna bort elektroner från väteatomer och joniserade vätgasen. Denna process gjorde det också möjligt för vätgas att bli transparent för ultraviolett ljus. Samma process kan också ha krossat stjärnbildning i dvärggalaxer, som de i Browns studie. Dessa galaxer är små kusiner till stjärnbildande dvärggalaxer nära Vintergatan. Och på grund av sin lilla storlek, bara 2 000 ljusår i diameter, var de inte tillräckligt massiva för att skydda sig från det hårda ultravioletta ljuset från det tidiga universum som tog bort deras magra tillgång på vätgas, vilket gjorde dem oförmögna att skapa nya stjärnor.
Astronomer föreslog många orsaker till bristen på stjärnor i dessa galaxer utöver återjonionsteorin. Vissa forskare trodde att interna händelser som supernovor sprängde bort den gas som behövdes för att skapa nya stjärnor. Andra föreslog att galaxerna helt enkelt använde sin tillgång på vätgas som behövs för att göra stjärnor.
Brown mätte stjärnornas ålder genom att titta på deras ljusstyrka och färger. Stjärnpopulationerna i dessa fossila galaxer sträcker sig från några hundra till några tusen stjärnor; några sollika, några röda dvärgar och några röda stjärnor större än vår sol. När bevis visade att stjärnorna verkligen var gamla, tog Brown hjälp av Hubbles Advanced Camera for Surveys för att gräva djupt in i sex galaxer för att avgöra när de föddes. Hittills har teamet analyserat data för tre; Hercules, Leo IV och Ursa Major. Galaxerna ligger mellan 330 000 ljusår till 490 000 ljusår. Som jämförelse jämförde Brown galaxernas stjärnor med de som finns i M92, en 13 miljarder år gammal klothop som ligger cirka 26 000 ljusår från jorden. Han fann att de är i samma ålder.
'Dessa är fossilerna från de tidigaste galaxerna i universum,' sa Brown. 'De har inte förändrats på miljarder år. Dessa galaxer är till skillnad från de flesta närliggande galaxer, som har lång historia av stjärnbildning.'
Browns upptäckt kan hjälpa till att förklara det så kallade 'saknade satellitproblemet'. Astronomer har bara observerat ett par dussin dvärggalaxer runt Vintergatan medan datorsimuleringar förutspår att tusentals borde finnas. Men de kanske finns. Sloan-undersökningen fann mer än ett dussin små, stjärnsvältade galaxer i Vintergatans grannskap medan de bara skannade en del av himlen. Astronomer tror att dussintals fler ultrasvaga galaxer kan lurar oupptäckta med möjligheten att tusentals ännu mindre dvärgar innehåller praktiskt taget inga stjärnor.
De små galaxerna kan vara stjärnberövade men de har fortfarande ett överflöd av mörk materia, det ramverk som galaxerna är byggda på. Normala dvärggalaxer nära Vintergatans galax innehåller tio gånger mer mörk materia än vanlig synlig materia. Brown förklarar att dessa små galaxer nu är öar med mestadels mörk materia, osedda på miljarder år tills astronomer började hitta dem i Sloan Survey.
Browns resultat visas i 1 juli-numret av Astrophysical Journal Letters.
Bildtext 1:Dessa Hubble-bilder visar den svaga, stjärnsvältade dvärggalaxen Leo IV. Bilden till vänster visar en del av galaxen, skisserad av den vita rektangulära rutan. Lådan är 83 ljusår bred och 163 ljusår lång. De få stjärnorna i Leo IV går förlorade bland angränsande stjärnor och avlägsna galaxer. En närbild av bakgrundsgalaxerna i rutan visas i mitten av bilden. Bilden till höger visar bara stjärnorna i Leo IV. Galaxen, som innehåller flera tusen stjärnor, består av solliknande stjärnor, svagare, röda dvärgstjärnor och några röda jättestjärnor som är ljusare än solen. Kredit: NASA, ESA och T. Brown (STScI)
Bildtext 2:Dessa datorsimuleringar visar en svärm av klumpar av mörk materia runt vår galax Vintergatan. Vissa av koncentrationerna av mörk materia är tillräckligt massiva för att sätta igång stjärnbildning. Tusentals klumpar av mörk materia samexisterar med vår galax Vintergatan, som visas i mitten av den övre panelen. De gröna klumparna i mittpanelen är de mörka materiebitarna som är tillräckligt massiva för att få gas från det intergalaktiska mediet och utlösa pågående stjärnbildning, vilket så småningom skapar dvärggalaxer. I den nedre panelen är de röda klumparna ultrasvaga dvärggalaxer som slutade bilda stjärnor för länge sedan. Kredit: NASA, ESA och T. Brown och J. Tumlinson (STScI)