ALMA finder massive urgalakser, der svømmer i et stort hav af mørkt stof

Astronomer forventer, at de første galakser, dem, der blev dannet blot et par hundrede millioner år efter Big Bang, ville dele mange ligheder med nogle af de dværggalakser, vi ser i det nærliggende univers i dag. Disse tidlige agglomerationer af nogle få milliarder stjerner ville så blive byggestenene i de større galakser, der kom til at dominere universet efter de første par milliarder år.

Igangværende observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), imidlertid, har opdaget overraskende eksempler på massive, stjernefyldte galakser set, da kosmos var mindre end en milliard år gammel. Dette tyder på, at mindre galaktiske byggesten var i stand til at samles til store galakser ret hurtigt.

De seneste ALMA-observationer skubber denne epoke med massiv galaksedannelse endnu længere tilbage ved at identificere to gigantiske galakser set, da universet kun var 780 millioner år gammelt, eller omkring 5 procent af sin nuværende alder. ALMA afslørede også, at disse ualmindeligt store galakser er beliggende inde i en endnu mere massiv kosmisk struktur, en glorie af mørkt stof flere billioner gange mere massiv end solen.

De to galakser er så tæt på hinanden - mindre end afstanden fra Jorden til centrum af vores galakse - at de om kort tid vil smelte sammen og danne den største galakse, der nogensinde er observeret i den periode i kosmisk historie. Denne opdagelse giver nye detaljer om fremkomsten af ​​store galakser og den rolle, mørkt stof spiller i at samle de mest massive strukturer i universet.

Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftet Natur .

"Med disse udsøgte ALMA observationer, astronomer ser den mest massive galakse kendt i universets første milliard år i færd med at samle sig selv, " sagde Dan Marrone, lektor i astronomi ved University of Arizona i Tucson og hovedforfatter på papiret.

Astronomer ser disse galakser i en periode af kosmisk historie kendt som genioniseringens epoke, da det meste af det intergalaktiske rum var fyldt med en slørende tåge af kold brintgas. Efterhånden som flere stjerner og galakser blev dannet, deres energi ioniserede til sidst brinten mellem galakserne, afsløre universet, som vi ser det i dag.

"Vi ser det normalt som en tid, hvor små galakser arbejder hårdt på at tygge det neutrale intergalaktiske medium, " sagde Marrone. "Monter observationsbevis med ALMA, imidlertid, har hjulpet med at omforme den historie og fortsætter med at skubbe det tidspunkt tilbage, hvor virkelig massive galakser først dukkede op i universet."

De galakser, som Marrone og hans team studerede, samlet kendt som SPT0311-58, blev oprindeligt identificeret som en enkelt kilde af South Pole Telescope. Disse første observationer indikerede, at dette objekt var meget fjernt og lyste stærkt i infrarødt lys, hvilket betyder, at det var ekstremt støvet og sandsynligvis gennemgik et udbrud af stjernedannelse. Efterfølgende observationer med ALMA afslørede objektets afstand og dobbelte natur, klart løse parret af interagerende galakser.

For at gøre denne observation, ALMA fik hjælp fra en gravitationslinse, hvilket gav et observationsboost til teleskopet. Gravitationslinser dannes, når et mellemliggende massivt objekt, som en galakse eller galaksehob, bøjer lyset fra fjernere galakser. De gør, imidlertid, forvrænge udseendet af det objekt, der undersøges, kræver sofistikerede computermodeller for at rekonstruere billedet, som det ville fremstå i dets uændrede tilstand.

Denne "aflinsende" proces gav spændende detaljer om galakserne, viser, at den største af de to danner stjerner med en hastighed på 2, 900 solmasser om året. Den indeholder også omkring 270 milliarder gange vores sols masse i gas og næsten 3 milliarder gange vores sols masse i støv. "Det er en kæmpe stor mængde støv, i betragtning af systemets unge alder, " bemærkede Justin Spilker, nyuddannet fra University of Arizona og nu postdoc ved University of Texas i Austin.

Astronomerne fastslog, at denne galakses hurtige stjernedannelse sandsynligvis blev udløst af et tæt møde med dens lidt mindre ledsager, som allerede er vært for omkring 35 milliarder solmasser af stjerner og øger sin hastighed af stjerneudbrud i det rasende tempo på 540 solmasser om året.

Forskerne bemærker, at galakser i denne æra er "messer" end dem, vi ser i det nærliggende univers. Deres mere rodede former ville skyldes de store gaslagre, der regner ned over dem, og deres igangværende interaktioner og fusioner med deres naboer.

De nye observationer gjorde det også muligt for forskerne at udlede tilstedeværelsen af ​​en virkelig massiv mørk materie-halo omkring begge galakser. Mørkt stof giver tyngdekraften, der får universet til at kollapse i strukturer (galakser, grupper og klynger af galakser, etc.).

"Hvis du vil se, om en galakse giver mening i vores nuværende forståelse af kosmologi, du vil se på den mørke stof-glorie – den kollapsede mørkestofstruktur – hvori den befinder sig, " sagde Chris Hayward, associeret forsker ved Center for Computational Astrophysics ved Flatiron Institute i New York City. "Heldigvis, vi kender udmærket forholdet mellem mørkt stof og normalt stof i universet, så vi kan vurdere, hvad den mørke stof halomasse skal være."

Ved at sammenligne deres beregninger med nuværende kosmologiske forudsigelser, forskerne fandt ud af, at denne glorie er en af ​​de mest massive, der burde eksistere på det tidspunkt.

"Der er flere galakser opdaget med Sydpolteleskopet, som vi følger op på, " sagde Joaquin Vieira fra University of Illinois i Urbana-Champaign, "og der er mange flere undersøgelsesdata, som vi lige er begyndt at analysere. Vores håb er at finde flere objekter som dette, muligvis endnu fjernere, for bedre at forstå denne population af ekstremt støvede galakser og især deres forhold til bulkpopulationen af ​​galakser i denne epoke."

"Under alle omstændigheder vores næste runde af ALMA-observationer skulle hjælpe os med at forstå, hvor hurtigt disse galakser kom sammen og forbedre vores forståelse af massiv galaksedannelse under reionisering, " tilføjede Marrone.