Bevis på, at tidlige galakser kan være større og mere komplekse end tidligere antaget

Forskere, der bruger Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) - et internationalt observatorium, der samarbejdes af US National Science Foundations National Radio Astronomy Observatory (NRAO) - har observeret en betydelig mængde kold, neutral gas i de ydre områder af de unge. galaksen A1689-zD1, samt udstrømninger af varm gas, der kommer fra galaksens centrum. Disse resultater kan kaste lys over et kritisk stadium af galaktisk evolution for tidlige galakser, hvor unge galakser begynder transformationen til i stigende grad at ligne deres senere, mere strukturerede fætre. Observationerne blev præsenteret i dag på en pressekonference ved det 240. møde i American Astronomical Society (AAS) i Pasadena, Californien, og vil blive offentliggjort i en kommende udgave af The Astrophysical Journal (ApJ).

A1689-zD1 - en ung, aktiv, stjernedannende galakse, der er lidt mindre lysende og mindre massiv end Mælkevejen - er placeret omkring 13 milliarder lysår væk fra Jorden i Jomfru-stjernehoben. Den blev opdaget gemt bag Abell 1689-galaksehoben i 2007 og bekræftet i 2015 takket være gravitationslinser, som forstærkede lysstyrken af ​​den unge galakse med mere end 9x. Siden da har forskere fortsat med at studere galaksen som en mulig analog til udviklingen af ​​andre "normale" galakser. Denne betegnelse - "normal" - er en vigtig sondring, der har hjulpet forskere med at opdele A1689-zD1s adfærd og egenskaber i to spande:typiske og ualmindelige, med de ualmindelige karakteristika, der efterligner dem fra senere og mere massive galakser.

"A1689-zD1 er placeret i det meget tidlige univers - kun 700 millioner år efter Big Bang. Dette er den æra, hvor galakser lige var begyndt at dannes," sagde Hollis Akins, en bachelorstuderende i astronomi ved Grinnell College og hovedforfatteren af forskningen. "Det, vi ser i disse nye observationer, er beviser på processer, der kan bidrage til udviklingen af ​​det, vi kalder normale galakser i modsætning til massive galakser. Endnu vigtigere er disse processer dem, vi ikke tidligere troede anvendt på disse normale galakser. "

En af disse ualmindelige processer er galaksens produktion og distribution af stjernedannende brændstof, og potentielt meget af det. Holdet brugte ALMAs meget følsomme Band 6-modtager til at komme ind på en halo af kulstofgas, der strækker sig langt ud over midten af ​​den unge galakse. Dette kan være bevis på igangværende stjernedannelse i samme region eller resultatet af strukturelle forstyrrelser, såsom fusioner eller udstrømninger, i de tidligste stadier af galaksens dannelse.

Ifølge Akins er dette usædvanligt for tidlige galakser. "Den kulgassen, vi observerede i denne galakse, findes typisk i de samme områder som neutral brintgas, hvilket også er der, hvor nye stjerner har tendens til at dannes. Hvis det er tilfældet med A1689-zD1, er galaksen sandsynligvis meget større end tidligere antaget. Det er også muligt, at denne halo er en rest af tidligere galaktisk aktivitet, som fusioner, der udøvede komplekse gravitationskræfter på galaksen, hvilket førte til udslyngning af en masse neutral gas ud til disse store afstande. I begge tilfælde, den tidlige udvikling af denne galaksen var sandsynligvis aktiv og dynamisk, og vi er ved at lære, at dette kan være et almindeligt, selvom tidligere uobserveret, tema i tidlig galaksedannelse."

Mere end blot ualmindeligt kan opdagelsen have betydelige konsekvenser for studiet af galaktisk evolution, især da radioobservationer afslører detaljer, der ikke er set ved optiske bølgelængder. Seiji Fujimoto, en postdoc-forsker ved Niels Bohr Institutets Cosmic Dawn Center, og en medforfatter af forskningen sagde:"Emissionen fra kulstofgassen i A1689-zD1 er meget mere udvidet end hvad der blev observeret med Hubble Space Telescope, og dette kan betyde, at tidlige galakser ikke er så små, som de ser ud. Hvis de tidlige galakser i virkeligheden er større, end vi tidligere troede, ville dette have en stor indflydelse på teorien om galaksedannelse og -evolution i det tidlige univers."

Ledet af Akins observerede holdet også udstrømninger af varm, ioniseret gas - almindeligvis forårsaget af voldsom galaktisk aktivitet som supernovaer - der skubbede udad fra galaksens centrum. Det er muligt, givet deres potentielt eksplosive natur, at udstrømningen har noget at gøre med kulstofhaloen. "Udstrømninger opstår som et resultat af voldsom aktivitet, såsom eksplosionen af ​​supernovaer – der sprænger nærliggende gasformigt materiale ud af galaksen – eller sorte huller i galaksernes centre – som har stærke magnetiske effekter, der kan skubbe materiale ud i kraftige jetfly. Pga. af dette er der en stærk mulighed for, at de varme udstrømninger har noget at gøre med tilstedeværelsen af ​​den kolde kulstofhalo," sagde Akins. "Og det understreger yderligere vigtigheden af ​​den udstrømmende gass flerfasede eller varme til kolde natur."

Darach Watson, lektor ved Niels Bohr Institutets Cosmic Dawn Center, og medforfatter af den nye forskning bekræftede A1689-zD1 som en højrødforskydningsgalakse i 2015, hvilket gør den til den fjerneste støvede galakse, der er kendt. "Vi har set denne type udvidet gashalo-emission fra galakser, der blev dannet senere i universet, men at se den i en så tidlig galakse betyder, at denne type adfærd er universel selv i de mere beskedne galakser, der dannede de fleste af stjernerne i Det tidlige univers. At forstå, hvordan disse processer fandt sted i en så ung galakse, er afgørende for at forstå, hvordan stjernedannelse sker i det tidlige univers."

Kirsten Knudsen, professor i astrofysik ved Institut for Rum, Jord og Miljø ved Chalmers Teknologiske Universitet, og medforfatter af forskningen fandt beviser for A1689-zD1's støvkontinuum i 2017. Knudsen påpegede den serendipitale rolle af ekstrem gravitation med at gøre hver ny opdagelse i forskningen mulig. "Fordi A1689-zD1 er forstørret mere end ni gange, kan vi se kritiske detaljer, som ellers er svære at observere i almindelige observationer af sådanne fjerne galakser. I sidste ende er det, vi ser her, at tidlige universgalakser er meget komplekse, og dette galakse vil fortsætte med at præsentere nye forskningsudfordringer og resultater i nogen tid."

Dr. Joe Pesce, NSF-programmedarbejder for ALMA, tilføjede:"Denne fascinerende ALMA-forskning tilføjer en voksende mængde resultater, der indikerer, at tingene ikke er helt, som vi forventede i det tidlige univers, men de er virkelig interessante og spændende alligevel."

Spektroskopi og infrarøde observationer af A1689-zD1 er planlagt til januar 2023 ved hjælp af NIRSpec Integral Field Unit (IFU) og NIRCam på James Webb Space Telescope. De nye observationer vil komplementere tidligere HST- og ALMA-data og tilbyde et dybere og mere komplet flerbølgelængdeblik på den unge galakse. + Udforsk yderligere

Supermassive sorte huller inde i døende galakser opdaget i det tidlige univers