Nuvarande teorier om bildandet av galaxer är baserade på den hierarkiska sammanslagningen av mindre enheter i större och större strukturer, med början från ungefär storleken på ett stjärnkulor och slutar med galaxkluster. Enligt detta scenario antas det att det inte fanns några massiva galaxer i det unga universum.
Men denna åsikt kan nu behöva revideras. Med hjälp av det multi-mode FORS2-instrumentet på Very Large Telescope i Paranal har ett team av italienska astronomer identifierat fyra avlägsna galaxer, flera gånger mer massiva än Vintergalaxen, eller lika massiva som de tyngsta galaxerna i dagens universum. Dessa galaxer måste ha bildats när universum bara var cirka 2 000 miljoner år gamla, det vill säga cirka 12 000 miljoner år sedan.
De nyligen upptäckta föremålen kan vara medlemmar i en befolkning av gamla massiva galaxer som hittills inte har upptäckts.
Förekomsten av sådana system visar att uppbyggnaden av massiva elliptiska galaxer var mycket snabbare i det tidiga universum än väntat från den nuvarande teorin.
Hierarkisk sammanslagning
Galaxer är som öar i universum, gjorda av stjärnor såväl som damm- och gasmoln. De finns i olika storlekar och former. Astronomer skiljer vanligtvis mellan spiralgalaxer - som vår egen Vintergata, NGC 1232 eller den berömda Andromedagalaxen - och elliptiska galaxer, de senare mestadels innehåller gamla stjärnor och har mycket lite damm eller gas. Vissa galaxer är mellanprodukter mellan spiraler och elliptiska medel och benämns linsformiga eller sfäroidala galaxer.
Galaxer är inte bara distinkta i form, de varierar också i storlek: vissa kan vara lika "ljusa" som ett stjärnkulor i vårt mjölkväg (dvs. de innehåller ungefär motsvarande några miljoner solar) medan andra kan vara mer massiva än en miljon miljoner Suns. För närvarande finns mer än hälften av stjärnorna i universum i massiva sfäroidala galaxer.
En av de viktigaste öppna frågorna i modern astrofysik och kosmologi är hur och när galaxer bildades och utvecklades med utgångspunkt från den ursprungliga gasen som fyllde det tidiga universum. I den mest populära nuvarande teorin är galaxer i det lokala universum resultatet av en relativt långsam process där små och mindre massiva galaxer smälter samman för att gradvis bygga upp större och mer massiva galaxer. I detta scenario, kallat ”hierarkisk sammanslagning”, var det unga universum befolkat av små galaxer med liten massa, medan det nuvarande universum innehåller stora, gamla och massiva galaxer - det allra sista som bildades i slutfasen av en långsam monteringsprocess.
Om detta scenario var sant, borde man inte kunna hitta massiva elliptiska galaxer i det unga universum. Eller med andra ord, på grund av den begränsade ljusets hastighet, bör det inte finnas så massiva galaxer mycket långt ifrån oss. Och faktiskt hittills kändes ingen gammal elliptisk galax bortom en radiogalax vid rödförskjutning 1.55 som upptäcktes för nästan tio år sedan.
K20-undersökningen
För att bättre förstå galaxernas bildningsprocess och för att kontrollera om det hierarkiska sammanslagningsscenariot är giltigt använde ett team av italienska och ESO-astronomer ESO: s Very Large Telescope som en ”tidsmaskin” för att söka efter mycket avlägsna elliptiska galaxer. Detta är dock inte trivialt. Avlägsna elliptiska galaxer, med sitt innehåll av gamla och röda stjärnor, måste vara mycket svaga föremål verkligen med optiska våglängder eftersom huvuddelen av deras ljus rödförskjuts till den infraröda delen av spektrumet. Avlägsna elliptiska galaxer är således bland de svåraste observationsmålen även för de största teleskopen; det är också anledningen till att 1,55 redshift-posten har kvarstått så länge.
Men denna utmaning hindrade inte forskarna. De erhöll djup optisk spektroskopi med multiläge-FORS2-instrumentet på VLT för ett prov av 546 svaga föremål som hittades i ett himmelområde på 52 arcmin2 (eller ungefär en tiondel av fullmånens område), känt som K20-fältet, och som delvis överlappar området GOODS-South. Deras uthållighet lönade sig och de belönades av upptäckten av fyra gamla, massiva galaxer med rödförskjutningar mellan 1,6 och 1,9. Dessa galaxer ses när universum bara var cirka 25% av sin nuvarande ålder på 13 700 miljoner år.
För en av galaxerna gynnade K20-teamet också databasen över offentligt tillgängliga spektra i området GOODS-South taget av ESO / GOODS-teamet.
En ny population av galaxer
De nyligen upptäckta galaxerna ses således när universum var ungefär 3 500 miljoner år gammal, dvs 10 000 miljoner år sedan. Men från de spektra som togs verkar det som att dessa galaxer innehåller stjärnor med åldrar mellan 1 000 och 2 000 miljoner år. Detta innebär att galaxerna måste ha bildats i enlighet därmed tidigare, och att de i huvudsak måste ha slutfört sin montering i ett ögonblick då universum bara var 1.500 till 2.500 miljoner år gamla.
Galaxerna verkar ha massor som överstiger hundra tusen miljoner solmassor och är därför av storlekar som liknar de mest massiva galaxerna i dagens universum. Kompletterande bilder tagna inom undersökningen GOODS (”The Great Observatories Origins Deep Survey”) av Hubble Space Telescope visar att dessa galaxer har strukturer och former som är mer eller mindre identiska med dagens massiva elliptiska galaxer.
De nya observationerna har därför avslöjat en ny population av mycket gamla och massiva galaxer.
Förekomsten av sådana massiva och gamla sfäroidala galaxer i det tidiga universum visar att montering av dagens massiva elliptiska galaxer började mycket tidigare och var mycket snabbare än förutsagt av den hierarkiska sammanslagningsteorin. Säger Andrea Cimatti (INAF, Firenze, Italien), teamledare: "Vår nya studie väcker nu grundläggande frågor om vår förståelse och kunskap om de processer som reglerade uppkomsten och universums evolutionshistoria och dess strukturer."
Ursprungskälla: ESO News Release
