Att titta djupt in i det observerbara universum - och därmed tillbaka till de tidigaste tidsperioderna - är en oerhört fascinerande sak. På så sätt kan astronomer se de tidigaste galaxerna i universum och lära sig mer om hur de utvecklats över tiden. Från detta kan de inte bara se hur storskaliga strukturer (som galaxer och galaxkluster) bildades utan också den roll som mörk materia spelar.
Senast använde ett internationellt team av forskare Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (ALMA) för att observera universum när det bara var 1,4 miljarder år gammalt. Vad de observerade var ett "protokoll", en serie med 14 galaxer som ligger 12,4 miljarder ljusår bort och var på väg att smälta samman. Detta skulle resultera i bildandet av ett massivt galaxkluster, ett av de största föremålen i det kända universum.
Studien som beskrev sina resultat, med titeln "En massiv kärna för ett kluster av galaxer vid en röd förskjutning av 4,3", dykte nyligen upp i tidskriften Natur. Studien leddes av Tim Miller - en astronom från Dalhousie University, Halifax och Yale University - och inkluderade medlemmar från NASA: s Jet Propulsion Laboratory, European Southern Observatory (ESO), Canadas National Research Council, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, National Radio Astronomy Observatory och flera universitet och forskningsinstitutioner.
Som de antyder i sin studie observerades detta protokoll (SPT2349-56) först av National Science Foundation's South Pole Telescope. Med hjälp av Atacama Pathfinder Experiment (APEX) genomförde teamet uppföljningsobservationer som bekräftade att det var en extremt avlägsen galaktisk källa, som sedan observerades med ALMA. Med hjälp av ALMA: s överlägsna upplösning och känslighet kunde de skilja de enskilda galaxerna.
Vad de fann var att dessa galaxer bildade stjärnor med en hastighet på 1000 gånger snabbare än vår galax, och var klättrade in i ett rymdområde som var ungefär tre gånger storleken på Vintergatan. Med hjälp av ALMA-data kunde teamet också skapa sofistikerade datorsimuleringar som demonstrerade hur denna nuvarande samling av galaxer sannolikt kommer att växa och utvecklas över miljarder år.
Dessa simuleringar indikerade att när dessa galaxer slås samman kommer det resulterande galaxklyngen att konkurrera med några av de mest massiva kluster som vi ser i Space Magazine. Som Scott Chapman, och astrofysiker vid Dalhousie University och en medförfattare till studien, förklarade:
”Att ha fångat ett massivt galaxklynge i formandet är spektakulärt i sig själv. Men det faktum att detta händer så tidigt i universums historia utgör en formidabel utmaning för vår nutida förståelse av hur strukturer bildas i universum. ”
Det nuvarande vetenskapliga samförståndet bland astrofysiker säger att några miljoner år efter Big Bang började normal materia och mörk materia bilda större koncentrationer, vilket så småningom gav upphov till galaxkluster. Dessa objekt är de största strukturerna i universum som innehåller biljoner stjärnor, tusentals galaxer, enorma mängder mörk materia och massiva svarta hål.
Nuvarande teorier och datormodeller har emellertid föreslagit att protokollor - som den som observerats av ALMA - borde ha tagit mycket längre tid att utvecklas. Att hitta ett som går till 1,4 miljarder år efter Big Bang var därför ganska överraskningen. Som Tim Miller, som för närvarande är doktorand vid Yale University, indikerade:
”Hur denna galaxmontering blev så stor så snabb är lite av ett mysterium, den byggdes inte gradvis över miljarder år, som astronomer kan förvänta sig. Denna upptäckt ger en otrolig möjlighet att studera hur galaxkluster och deras massiva galaxer samlades i dessa extrema miljöer. ”
Med tanke på framtiden hoppas Chapman och hans kollegor att genomföra ytterligare studier av SPT2349-56 för att se hur dessa protokoller så småningom blev ett galaxkluster. "ALMA gav oss för första gången en tydlig utgångspunkt för att förutsäga utvecklingen av en galaxklynge," sade han. "Med tiden kommer de 14 galaxerna vi observerade att sluta bilda stjärnor och kommer att kollidera och sammanfalla i en enda gigantisk galax."
Studien av detta och andra protokluster kommer att möjliggöras tack vare instrument som ALMA, men också nästa generations observatorier som Square Kilometer Array (SKA). Utrustade med mer känsliga matriser och mer avancerade datormodeller kan astronomer kunna skapa en riktigt korrekt tidslinje för hur vårt universum blev vad det är idag.
