A galaxisok viselkedése a korai Univerzumban nagy figyelmet kelt a kutatókban. Valójában a korai Univerzummal kapcsolatos minden nyilvánvaló okokból intenzív tudományos vizsgálat alatt áll. De ellentétben az Univerzum első csillagaival, amelyek mind régen elhaltak, a körülöttünk látott galaxisok – beleértve a sajátunkat is – a korai idők óta itt vannak.
A jelenlegi tudományos gondolkodás szerint az Univerzum korai időszakában a galaxisok lassan növekedtek, és évmilliárdok kellett ahhoz, hogy azzá váljanak, amilyenek most. De az új megfigyelések azt mutatják, hogy ez nem biztos, hogy így van.
Az új megfigyelések egy felmérésből származnak ALPESI (az ALMA nagy program a C+ korai tanulmányozására). Az ALPINE egy olyan program, amely a fiatal galaxisok gáz- és portulajdonságait tanulmányozza a korai növekedési fázisban vöröseltolódások z = 4-6.
'Meglepetésünkre sokan közülük sokkal érettebbek voltak, mint amire számítottunk.'
Andreas Faisst, a Caltech IPAC-ja
A felmérés kimutatta, hogy sok galaxisban növekedési ugrás következett be 1-1,5 milliárd évvel az Ősrobbanás után. A növekedési ugrás során a galaxisok csillagtömegük és poruk jelentős részét megszerezték. Ezenkívül a ma látható spirálgalaxisokká fejlődtek, és nehéz elem tartalomra tettek szert.
Az ALPINE felmérésben egy nemzetközi csillagászcsoport 118 korai galaxist vizsgált meg, amelyek növekedési ugráson mentek keresztül.
Andreas Faisst az ALPINE egyik kutatója. Faisst a Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) Infravörös Feldolgozó és Elemző Központjának (IPAC) kutatója, valamint az ALPINE vezető kutatója az Egyesült Államokban. Az a sajtóközlemény 'Meglepetésünkre, sokan közülük sokkal érettebbek voltak, mint vártuk.'
Az ALPINE projekt olyan galaxisokat vizsgál, amelyek 1-1,5 milliárd évvel az ősrobbanás után vannak. Ebben a korban a galaxisok átmeneti fázisban vannak az ős- és érettség között. Az átmeneti szakasz kritikus fontosságú a galaxisok kialakulásának és fejlődésének megértésében. A kép forrása: ALPINE
A galaxisok portartalmú nehéz eleme az, ami megkülönbözteti a fiatal galaxisokat az érett galaxisoktól. Csak az érett galaxisokban van nagyobb mennyiségű por és fém, mivel ezek a haldokló csillagok melléktermékei. Fiatal galaxisok nem léteznek elég régóta ahhoz, hogy csillagok generációi haljanak meg, és por és fémek keletkezzenek.
Amikor a kutatók megnézték a 118 fiatal galaxist, meglepődtek, hogy ekkora port és sok fémességet láttak. Jelenlétük azt jelezte, hogy már több csillagtevékenység volt, mint gondolták. „Nem számítottunk rá, hogy ennyi port és nehéz elemet látunk ezekben a távoli galaxisokban” – mondta Faisst.
Daniel Schaerer, a Genfi Egyetem munkatársa egy másik tudós, aki az ALPINE-nal foglalkozik. 'Korábbi tanulmányok alapján megértettük, hogy az ilyen fiatal galaxisok porszegények' - mondta Schaerer. 'Azonban azt találjuk, hogy a korai korszakban összegyűlt galaxisok körülbelül 20 százaléka már nagyon poros, és az újszülött csillagok ultraibolya fényének jelentős részét már elrejti ez a por' - tette hozzá.
Ez a két galaxis a korai univerzumban, amelyeket az ALMA rádióhullámokban figyelt meg. A galaxisokat inkább „érettnek”, mint „ősnek” tekintik, mivel nagy mennyiségű port (sárga) tartalmaznak. Az ALMA felfedte a gázt (piros) is, amelyet a galaxisok elhomályosult csillagkeletkezésének és mozgásának mérésére használnak.
Köszönetnyilvánítás: B. Saxton NRAO / AUI / NSF, ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), ALPINE csapat.
A korai galaxisokkal kapcsolatos másik kérdés az, hogy mikor hozták létre a forgást, és ez milyen hamar befolyásolta szerkezetüket. Az olyan spirálgalaxisok, mint a mi Tejútrendszerünk, forognak, és ez hozza létre a spirális szerkezetet. A tanulmányban részt vevő galaxisok közül sok forgás által támogatott korongok és változatos szerkezetek jeleit mutatta.
Ez ellenkezik az elvárásokkal.
Az elfogadott gondolkodás szerint a korai galaxisoknak kaotikusabbnak és rendezetlenebbnek kell lenniük. A gyakori galaktikus ütközéseknek és egyesüléseknek meg kellett volna akadályozniuk, hogy ennyi struktúra kialakuljon ilyen fiatal univerzális korban. „Sok galaxist látunk, amelyek ütköznek, de azt is látjuk, hogy számos galaxis rendezett módon forog, ütközés jelei nélkül” – mondta John Silverman, a japán Kavli Univerzum Fizikai és Matematikai Intézet munkatársa.
Művész animációja a korai univerzum egy galaxisáról, amely nagyon poros, és a forgás által támogatott korong első jeleit mutatja. Ezen a képen a piros szín a gázt, a kék/barna pedig a port jelképezi, ahogy az ALMA rádióhullámokban látható. A VLT és a Subaru optikai adatai alapján sok más galaxis is látható a háttérben.
Köszönetnyilvánítás: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru
A csillagászok már korábban is megfigyeltek távoli galaxisokat ebből az időszakból, mint pl MAMBO-9 és a Wolfe Disk. A MAMBO-9 nagyon poros, és a Wolfe lemez van egy forgó korongja, így arra utaltak, hogy a galaxisok gyorsabban érhetnek, mint gondolták. De lehet, hogy kiugróak voltak, és egy nagyobb felmérésre volt szükség, mint az ALPINE, hogy a kutatók tisztább képet kapjanak.
Művész benyomása a Wolfe Diskről, egy hatalmas forgó koronggalaxisról a korai, poros univerzumban. A galaxist eredetileg akkor fedezték fel, amikor az ALMA egy távolabbi kvazár fényét vizsgálta (balra fent). Köszönetnyilvánítás: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
De annak ellenére, hogy az ALPINE azonosított néhány ilyen korai virágzót, a csillagászok még mindig nem tudják, hogyan nőttek fel ilyen gyorsan, és miért van néhányuknak ilyen fiatalon forgó korongja.
LÉLEK (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) óriási szerepet játszott ebben a munkában. Ez egy rendkívül erős rádióteleszkóp, és ez kell ahhoz, hogy lássuk ezeket a távoli galaxisokat. Míg ezek közül a galaxisok közül sok alapvetően láthatatlan optikai és infravörös fényben, milliméteres és szubmilliméteres sugárzásban meglehetősen fényesen ragyoghatnak. Míg az optikai és infravörös nem képes áthatolni a poros területeket, ahol a csillagok keletkeznek, vagy a gázok mozgását ezekben a galaxisokban, az ALMA képes. Valójában az optikai és infravörös teleszkópok néha egész galaxisokat tévesztenek el.
„Az ALMA-val először fedeztünk fel néhány távoli galaxist. Ezeket Hubble-sötéteknek hívjuk, mivel még a Hubble-teleszkóppal sem lehetett észlelni” – mondta Lin Yan, a Caltech munkatársa.
Az Atacama Large Millimeter/Submillimter Array (ALMA) edényei közül három. A kép forrása: H. Calderón – ALMA (ESO/NRAO/NAOJ)
A csapat továbbra is az ALMA erejét kívánja használni, hogy megpróbálja megérteni, miért olyan érettek ezek a fiatal galaxisok. Míg az ALPINE egy olyan felmérés volt, amely 70 órás megfigyelési időt használt fel, az ALMA-t szeretnék az egyes galaxisok hosszabb ideig tartó megfigyelésére használni. „Pontosan szeretnénk látni, hol van a por, és hogyan mozog a gáz. Szeretnénk összehasonlítani a poros galaxisokat más, azonos távolságra lévő galaxisokkal, és kideríteni, lehet-e valami különleges a környezetükben” – tette hozzá Paolo Cassata, az olaszországi Padovai Egyetem munkatársa, korábban a chilei Universidad de Valparaíso.
Az ALMA ezt a munkát természetesen nem tudja egyedül elvégezni. Az ALPINE a legnagyobb ilyen típusú felmérés, ahol több különböző hullámhosszú teleszkópot használtak a korai Univerzum galaxisainak tanulmányozására. Optikai „skópok” teljes flottáját használták, beleértve a Hubble-t, a Kecket és a VLT-t. És Spitzer infravörös képességeket is használtak. Lehetetlen megérteni a távoli galaxisok történetét több hullámhosszon végzett megfigyelések nélkül.
„Egy ilyen nagy és összetett felmérés csak a világ több intézete közötti együttműködésnek köszönhető” – mondta Matthieu Béthermin, a francia Laboratoire d’Astrophysique de Marseille munkatársa.