Bildtext: En konstnärs återgivning av galaxen BX442 och dess dvärggalax (övre till vänster). Kredit: Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics/Joe Bergeron
Forntida stjärnljus som rest i 10,7 miljarder år har fört med sig en överraskning – bevis på en spiralgalax långt innan andra spiralgalaxer är kända för att ha bildats.
'När du går tillbaka i tiden till det tidiga universum, ser galaxer väldigt konstiga, klumpiga och oregelbundna ut, inte symmetriska', säger Alice Shapley, docent i fysik och astronomi vid UCLA och medförfattare till en studie som rapporterades i dagens tidskrift Nature . 'De allra flesta gamla galaxer ser ut som tågvrak. Vår första tanke var, varför är den här så annorlunda och så vacker?”
Galaxer finns idag i en mängd olika unika former och storlekar. Vissa, som vår Vintergatans galax, är roterande skivor av stjärnor och gas som kallas spiralgalaxer. Andra galaxer, kallade elliptiska galaxer, liknar jättekulor av äldre rödaktiga stjärnor som rör sig i slumpmässiga riktningar. Sedan finns det en mängd mindre oregelbundet formade galaxer som är sammanbundna av gravitationen men som saknar någon synlig struktur. En stor, mångfaldig population av dessa typer av oregelbundna galaxer dominerade det tidiga universum, säger Shapely.
Ljus från denna otroligt avlägsna spiralgalax, som färdades med nästan sex biljoner miles per år, tog 10,7 miljarder år att nå jorden; bara 3 miljarder år efter att universum skapades i en händelse som kallas Big Bang.
Enligt ett pressmeddelande från UCLA använde astronomer de skarpa ögonen från rymdteleskopet Hubble för att spionera på 300 mycket avlägsna galaxer i det tidiga universum. Forskarna trodde ursprungligen att deras galax, en av de mest massiva i deras undersökning med det oglamorösa namnet BX442, var en illusion, kanske två galaxer överlagrade på varandra.
'Det faktum att denna galax existerar är häpnadsväckande', säger David Law, huvudförfattare till studien och Dunlap Institute postdoktor vid University of Torontos Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics. 'Nuvarande visdom säger att sådana spiralgalaxer med 'stor design' helt enkelt inte existerade vid en så tidig tidpunkt i universums historia.' En 'grand design' galax har framträdande, välformade spiralarmar.
För att förstå sin bild ytterligare använde astronomer ett unikt, toppmodernt instrument som heter OSIRIS-spektrografen vid W.M. Keck Observatory på toppen av Hawaiis vilande Mauna Kea-vulkan. Instrumentet, byggt av UCLA-professorn James Larkin, gjorde det möjligt för dem att studera ljus från cirka 3 600 platser i och runt BX442. Detta spektra gav dem ledtrådarna de behövde för att visa att de verkligen tittade på en enda, roterande spiralgalax.
Även om spiralgalaxer är rikliga i hela det nuvarande kosmos, var det inte alltid fallet. Spiralgalaxer i det tidiga universum var sällsynta på grund av frekventa interaktioner. 'BX442 ser ut som en närliggande galax, men i det tidiga universum kolliderade galaxer mycket oftare', säger Shapely. 'Gas regnade in från det intergalaktiska mediet och matade stjärnor som bildades i mycket snabbare takt än de gör idag; svarta hål växte också i mycket snabbare takt. Universum idag är tråkigt jämfört med denna tidiga tid.”
Shapely och Law tror att gravitationsdragkampen mellan en dvärggalaxföljeslagare och BX442 kan vara ansvarig för dess futuristiska utseende. Följeslagaren visas bara som en liten klump i deras bild. Datorsimuleringar utförda av Charlotte Christensen, en postdoktorand vid University of Arizona och medförfattare till tidningen, ger bevis för denna idé. Så småningom kommer BX442 och den mindre galaxen troligen att smälta samman.
Shapley sa att BX442 representerar en länk mellan tidiga galaxer som är mycket mer turbulenta och de roterande spiralgalaxerna som vi ser omkring oss. 'Visst kan den här galaxen belysa vikten av fusionsinteraktioner vid vilken kosmisk epok som helst för att skapa en storslagen designspiralstruktur,' sa hon.
Att studera BX442 kommer sannolikt att hjälpa astronomer att förstå hur spiralgalaxer som Vintergatan bildas, tillade hon.
Bildtext 2: HST/Keck sammansatt bild i falsk färg av galaxen BX442. Kredit: David Law/Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics