Galaxer för länge, för länge sedan var mycket fekund; de födde stjärnor i en takt minst tio gånger vad vi ser idag.
Varför? Fanns det fler saker då för att göra stjärnor? Eller var galaxer då effektivare vid stjärnframställning? Eller något annat??
Dr Linda Tacconi, från Tysklands Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, ledde ett internationellt team av astronomer för att ta reda på varför ... och svaret verkar vara att unga galaxer var fyllda till källorna med gas.
"Vi har för första gången kunnat upptäcka och avbilda den kalla molekylära gasen i normala stjärnbildande galaxer, som är representativa för de typiska massiva galaxpopulationerna strax efter Big Bang," sade Dr Tacconi.
De utmanande observationerna ger det första glimtet hur galaxer, eller mer exakt den kalla gasen i dessa galaxer, såg ut bara 3 till 5 miljarder år efter Big Bang (motsvarande en kosmologisk rödskift z ~ 2 till z ~ 1). Vid denna ålder verkar galaxer ha bildat stjärnor mer eller mindre kontinuerligt med minst tio gånger den hastighet som har sett i liknande masssystem i det lokala universum.
Det är nu rimligt väl etablerat att galaxer bildas av proto-galaxer, som själva bildades i lokala överdensiteter, dominerade av kalla mörka ämnen - halo av mörk materia - där det nyligen neutrala väte och helium samlades in och kyldes. Genom kollisioner och sammanslagningar och en viss pågående gasuttag bildade proto-galaxerna unga galaxer, några miljarder år efter Big Bang - i kort, hierarkisk bildning.
Detaljerade observationer av den kalla gasen och dess distribution och dynamik spelar en nyckelroll i att avskilja de komplexa mekanismerna som är ansvariga för att förvandla de första proto-galaxerna till moderna galaxer, till exempel Vintergatan. En stor undersökning av avlägsna, lysande stjärnbildande galaxer vid Milleau-interferometern Plateau de Bure har nu resulterat i ett genombrott genom att titta direkt på stjärnbildningen ”mat”. Studien utnyttjade de senaste senaste framstegen i radiometers känslighet vid observatoriet för att göra den första systematiska undersökningen av kalla gasegenskaper (spåras av en rotationslinje av kolmonoxidmolekylen) för normala massiva galaxer när universum var 40% ( z = 1,2) och 24% (z = 2,3) av sin nuvarande ålder. Tidigare observationer begränsades till stor del till sällsynta, mycket ljusa föremål, inklusive galaxfusioner och kvasarer. Den nya studien spårar i stället massiva stjärnbildande galaxer som är representativa för den "normala" genomsnittliga galaxpopulationen i denna massa och rödförskjutningsområde.
"När vi startade programmet för ungefär ett år sedan", säger Dr. Tacconi, "kunde vi inte vara säkra på att vi ens skulle upptäcka någonting. Men observationerna var framgångsrika utöver våra mest optimistiska hopp. Vi har kunnat visa att massiva normala galaxer vid z ~ 1.2 och z ~ 2.3 hade fem till tio gånger mer gas än vad vi ser i det lokala universum. Med tanke på att dessa galaxer bildade gas med hög hastighet under långa tidsperioder, innebär detta att gasen måste ha fyllts på kontinuerligt med tillträde från de mörka materiehaloerna, i utmärkt överensstämmelse med nyligen teoretiskt arbete. ”
Ett annat viktigt resultat av dessa observationer är de första rumsligt lösta bilderna av köldgasfördelningen och rörelserna i flera av galaxerna. "Denna undersökning har öppnat dörren för en helt ny väg att studera utvecklingen av galaxer," säger Pierre Cox, direktören för IRAM. "Det här är riktigt spännande och det kommer mycket mer att komma."
"Dessa fascinerande fynd ger oss viktiga ledtrådar och begränsningar för nästa generations teoretiska modeller som vi kommer att använda för att studera de tidiga faserna av galaxutvecklingen mer detaljerat," säger Andreas Burkert, specialist för stjärnbildning och utvecklingen av galaxer på Tysklands excellens Cluster Universe. "Så småningom kommer dessa resultat att hjälpa till att förstå ursprunget och utvecklingen av vår Vintergatan."
Om EGS 1305123-bilden: Rumsligt löst optiska och millimeterbilder av en typisk massiv galax vid rödförskjutning z = 1,1 (5,5 miljarder år efter Big Bang). Den vänstra bilden togs med Hubble Space Telescope i V- och I-optiska band, som en del av AEGIS-undersökningen av avlägsna galaxer. Den högra bilden är en överläggning av CO 3-2-emissionen som observerats med PdBI (röda / gula färger) överlagrade på I-bilden (grå). För första gången visar dessa observationer tydligt att den molekylära linjeavgivningen och det optiska ljuset från massiva stjärnor spårar en massiv, roterande skiva med diameter ~ 60 000 ljusår. Den här skivan har samma storlek och struktur som den ses i z ~ 0-galaxer, till exempel Vintergatan. Emellertid är massan av kall gas i denna skiva ungefär en storleksordning större än i typiska z ~ 0-galaxer. Detta förklarar varför galaxer med hög z kan kontinuerligt bildas ungefär tio gånger hastigheten för typiska z ~ 0-galaxer.
Källor: Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Tacconi et al. (2010), Nature 463, 781 (förtryck: arXiv: 1002.2149)
