Om vi vill förstå hur universum utvecklas måste vi förstå hur dess stora strukturer formas och utvecklas. Det är därför astronomer studerar galaxbildning. Galaxer är enorma strukturer av stjärnor, planeter, gas, damm och mörk materia, och att förstå hur de bildas är avgörande för att förstå själva universum.
Under 2017 upptäckte astronomer som arbetade med ALMA (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array) en uråldrig galax. Denna massiva roterande skivgalax föddes när universum bara var cirka 1,5 miljarder år gammalt. Enligt den mest accepterade förståelsen av hur galaxer bildas och utvecklas, borde den inte existera.
Men där är den.
Galaxen är känd som DLA0817g, men det är mycket lättare att komma ihåg smeknamnet är Wolfes galax, uppkallad efter den sena astronomen Arthur M. Wolfe . Det är den äldsta roterande skiva galaxastronomer någonsin har sett. Bara 1,5 miljarder år efter Big Bang växte Wolfes galax till 70 miljarder solmassor, ungefär hälften så massiv som Vintergatan.
Det har funnits några teoretiska bevis för att denna typ av galax kan ha funnits så här tidigt i universum, men detta är det första direkta observationsbeviset.
En ny studie med titeln ' En kall, massiv, roterande skivgalax 1,5 miljarder år efter Big Bang ” presenterar dessa observationer. Huvudförfattare till studien är Marcel Neeleman från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland. Uppsatsen publiceras i tidskriften Nature.
Universum är cirka 13,8 miljarder år gammalt. Till en början var det bara ett hett, karaktärslöst plasma av elektroner och protoner, enhetligt i alla riktningar. Utmaningen för kosmologer är att förklara hur all denna särdragslösa massa kombineras till galaxer.
Det tidiga universum var ett odifferentierat plasma, för varmt för normal materia att smälta samman och bilda strukturer som galaxer. Kredit: Planck/IPAC
För det mesta trodde astronomer att massiva galaxer som vår Vintergatan bildades under en lång tidsperiod när saker och ting svalnade. Den förklaringen kallas ibland för 'hot mode'-scenariot. Hot mode-scenariot förklarar de flesta av de röriga, kaotiska galaxer som astronomer hittar i det tidiga universum, som bildats genom sammanslagningar.
Den andra teorin är scenariot 'tillväxt i kallt läge'. Den teorin säger att kall gas leds in i en nybildad galax på kortare tidsskalor, innan universum svalnade. Stora simuleringar som Illustrious TNG 50 visa att roterande skivgalaxer som Wolfes galax dök upp tidigare i universum än vi trodde. TNG 50 visade att den här typen av galaxer kan uppstå från kaotiska, turbulenta gasmoln under tidigare epoker.
Även om det alltid har ansetts vara en möjlighet, har det inte funnits några bevis för det. Tills nu.
'Medan tidigare studier antydde förekomsten av dessa tidiga roterande gasrika skivor galaxer , tack vare ALMA har vi nu entydiga bevis för att de inträffar så tidigt som 1,5 miljarder år efter Big Bang, säger huvudförfattaren Marcel Neeleman i en pressmeddelande .
För att förstå vad denna upptäckt betyder, låt oss ta en titt på mörk materia och den roll den spelar.
Mörk materia är ryggraden i universums struktur. Det är som ett nätverk och tar formen av filament och noder som har mer mörk materia och tomrum som har mindre. Det är osynligt för oss och utgör cirka 85 % av massan i universum. De övriga 15 % består av vanlig materia, som galaxer, stjärnor, planeter och oss själva.
En datorsimulering av materiens fördelning i universum. Orange regioner värd galaxer; blå strukturer är gas och mörk materia. Kredit: TNG Collaboration
I mindre skala bildar mörk materia klumpliknande strukturer som kallas halos. Den vanliga materien dras till mörk materia genom gravitation och tar form runt dessa glorier och bildar galaxer. Men galaxer är gjorda av stjärnor, och för att något av det skulle hända måste universum ha svalnat tillräckligt för att stjärnor skulle kunna bildas. Och med cool menar vi bara 10 grader över absoluta nollpunkten.
Saken är den att de flesta av de tidiga galaxerna vi kan se inte är roterande skivor. De är röriga och oorganiserade, eftersom de har vuxit genom sammanslagningar med andra galaxer. 'De flesta galaxer som vi hittar tidigt i universum ser ut som tågvrak eftersom de genomgick konsekvent och ofta 'våldsam' sammansmältning', säger Neeleman. 'Dessa heta sammanslagningar gör det svårt att bilda välordnade, kallroterande skivor som vi observerar i vårt nuvarande universum.'
En simulering av galaxer under eran av återjonisering i det tidiga universum. Kredit: M. Alvarez, R. Kaehler och T. AbelKredit: M. Alvarez, R. Kaehler och T. Abel
Det beror på att dessa sammanslagningar skapar alla typer av chockvågor, som komprimerar och värmer gas, vilket bidrar till dess oordning. Och det borde ta miljarder år innan all den röriga gasen kan svalna och anta en ordnad, roterande skivform.
Men så finns det Wolfes galax. Det är en ståtlig, kall, roterande skivgalax.
Här är vad Neeleman och andra forskare tror hände.
Utanför den tidiga galaxen fanns gas som redan hade svalnat; den hade inte varit utsatt för kompressionen, stötvågorna och uppvärmningen som gasen inne i galaxen hade utsatts för. Den kalla gasen strömmade längs filament av mörk materia, in i den bildade galaxen. Det scenariot innebär att roterande skivgalaxer kan bildas mycket tidigare än scenariot med 'kollision och kylning'.
Det enda sättet att visa att scenariot med kall gas var verkligt och kunde skapa coola roterande skivgalaxer som visas i simuleringar som TNG 50, var att hitta en. Och för det måste du veta var du ska leta och när.
Neeleman och de andra forskarna använde ALMA och hittade sex kandidatgalaxer. Ljuset från dessa galaxer var tvungna att resa i cirka 10 miljarder år för att nå oss. DLA0817g, eller Wolfes galax, var den ljusaste. Den visade också några dopplerskift som visade att det var en roterande skiva, stor och stabil.
Wolfe-skivan sett med ALMA (höger – i rött), VLA (vänster – i grönt) och Hubble Space Telescope (båda bilderna – blå). I radioljus tittade ALMA på galaxens rörelser och massa av atomär gas och damm och VLA mätte mängden molekylmassa. I UV-ljus observerade Hubble massiva stjärnor. VLA-bilden är gjord i en lägre rumslig upplösning än ALMA-bilden och ser därför större och mer pixlad ut. Bildkredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Neeleman; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; NASA/ESA Hubble
Deras observationer visade att den hade en massa på cirka 70 miljarder solar och var cirka 1,5 miljarder år gammal. De hade hittat sin kallgasgalax.
'Vi tror att Wolfe Disk har vuxit främst genom den stadiga ansamlingen av kall gas,' sa medförfattaren Xavier Prochaska, 'Ändå är en av frågorna som återstår hur man monterar en så stor gasmassa samtidigt som en relativt stabil, roterande disk.'
Det finns en anledning till att de har döpt den till Wolfes galax. Astronomen Arthur Wolfe var doktorandrådgivare för tre av författarna. Och Wolfes arbete hjälpte teamet direkt att hitta galaxen.
Wolfe tillbringade lång tid med att undersöka ljus från fjärran kvasarer . Teamet bakom detta papper kunde hitta Wolfes galax genom att undersöka ljuset från en kvasar när det passerade genom mellanliggande materia. Kvasarer är utomordentligt lysande och avger en enorm mängd ljus. I det här fallet är ljuset som passerar genom Wolfes galax det som gjorde det möjligt för teamet att identifiera och karakterisera galaxen som en kall, roterande skivgalax.
Det finns sannolikt många fler av dessa Wolfe-galaxer, men de är svåra att hitta. De måste placeras mellan oss och en kvasar för att kunna identifieras. Och den lyckliga uppställningen är säkerligen mer ovanlig än Wolfe-galaxerna själva.
Den enda svaga punkten i denna studie är urvalsstorleken på en. Även om resultaten är lovande och mycket intressanta, kommer astronomer att behöva hitta fler av dessa tidiga, kalla, roterande skivgalaxer. Du kan inte skriva om astronomiska modeller på basis av en datapunkt. Är Wolfes galax representativ för en typ? Eller är det bara någon sorts avvikelse?
Framtida studier kommer att behöva svara på dessa frågor.
Mer:
- Pressmeddelande: De växer upp så snabbt: Nya observationer visar att massiva skivgalaxer bildades exceptionellt tidigt i den kosmiska historien
- Uppsats: En kall, massiv, roterande skivgalax 1,5 miljarder år efter Big Bang
- Universum idag: De första resultaten från IllustrisTNG-simuleringen av universum har slutförts och visar hur vårt kosmos utvecklades från Big Bang