Astronomer finder en sværm af galakser i kredsløb omkring en hyper-lysstærk galakse

Et fundamentalt spørgsmål i astronomi er, hvordan galakser dannes, vokser og udvikler sig.

Som en del af deres udvikling ser de fleste galakser ud til at skabe et supertungt sort hul i deres centrum. Disse gravitationelle mostre sluger indimellem gas og stjerner i nærheden, og udspyr overskydende energi som kraftige jets; et fænomen kendt som en kvasar.

Fra galakse til kvasar

Mange detaljer om overgangen fra "normale" galakser til kvasarer er endnu ukendte. Men i et nyt studie er et hold af astronomer ledet af Michele Ginolfi, postdoc ved ESO i Garching, kommet et skridt nærmere på at forstå denne udvikling.

"Før de modnes til fuldt udviklede kvasar, tror vi at nogle galakser gennemgår en fase, hvor de er meget støvede, og meget ‘aktive’ i termer af stjernedannelse og ophobning af gas i deres centrale, supertunge sorte huller," forklarer Ginolfi. "Vi satte os for at designe et eksperiment for at lære mere om denne overgangsfase."

Ginolfi og hans samarbejdspartnere fokuserede på en allerede kendt galakse, W0410-0913, som er en af de mest lysstærke, tungeste, og gasrige galakser i det fjerne Univers, set 12 milliarder år tilbage i tiden.

Stjernestøvet varmes op af energien fra stjernernes lys og det centrale sorte hul, hvilket får det til at gløde og afsløre galaksen ved dets infrarøde varmestråling. Dét har givet denne slags galakser deres navn "varme, støv-indhyllede galakser", eller på engelsk hot dust-obscured galaxies (også kendt i daglig tale som "hot DOGs").

Galakser i 3D

Fordi galaksernes udvikling i sin natur er kædet sammen med deres omgivelser, besluttede Ginolfi og hans hold — som noget atypisk bestod primært af forskere i deres tidligere karriere — at observere W0410-0913 med "MUSE"-instrumentet på Very Large Telescope (VLT) i Chile. Dette avancerede apparat tillod dem at nærstudere et område der er 40 gange større end selve galaksen.

Peter Laursen fra Cosmic Dawn Center, som hører under Niels Bohr Institutet og DTU Space, deltog i studiet. Han forklarer: "Observationer afslørede at W0410-0913 er omgivet af en sværm af ikke færre end 24 mindre galakser. Det seje ved MUSE-instrumentet er, at vi ikke bare kan måle deres position på himlen, men også deres afstand langs vores sigtelinje. Med andre ord: Vi kan måle deres 3D-positioner."

Selvom målingerne antyder, at W0410-0913 befinder sig i et område som er mindst ti gange så tætpakket med galakser som det gennemsnitlige Univers, er dette ikke helt uventet, eftersom hot DOGs faktisk menes at holde til i "overtætte habitater."

En galaktisk bilulykke

Derudover, selvom W0410-0913 ses på et tidspunkt hvor Universet var 1/8 af sin nuværende alder, er den allerede ti gange så tung som vores egen galakse, Mælkevejen. At dyrke en så tung galakse på så kort tid, og samtidig fodre et supertungt sort hul, kræver en betydelig forsyning af frisk materiale. Dette passer alt sammen godt med standard-billedet af, hvordan tunge galakser vokser ved at opsamle gas og satellit-galakser, tiltrukket fra det intergalaktiske rum af deres enorme tyngdekraft.

I sådan et miljø forventes interaktioner, sammenstød, og sammensmeltninger af galakser faktisk lige præcis at være meget hyppige fænomener. Udsat for et sådan bombardement, regnede astronomerne med, at W0410-0913 ville være en sand bilulykke af kaotisk hvirvlende klumper af gas og stjerner.

Men ved at grave ned i nogle gamle observationer taget af ALMA-radioantennerne, som befinder sig blot 300 km nordøst for VLT'en, var Ginolfi og hans kolleger i stand til at måle bevægelsesmønstrene for gassen inde i W0410-0913.

Og her tegnede sig et helt andet billede.

Som småsten på en glasrude

Overraskende nok afslørede ALMA-observationerne at W0410-0913 tilsyneladende overhovedet ikke er blevet forstyrret af interaktionerne med satellit-galakserne. Ifølge observationerne roterer gassen nydeligt og ordentligt rundt om det centrale sorte hul. Ordentligt, men blændende hurtigt, med hastigheder op til 500 kilometer i sekundet!

"Ved at koble resultaterne fra de to meget forskellige teleskoper, ser vi et billede af, hvordan de tungeste og mest støvede galakser kan udvikle sig. Denne type galakser, et vitalt trin i overgangen fra en støvet og stjernedannende galakse til en kvasar, har en tendens til at vokse i tætpakkede miljøer," siger Ginolfi. "Men på trods af de forventede hyppige sammenstød med andre galakser, er disse gravitationelle interaktioner ikke desto mindre ikke nødvendigvis ødelæggende — de fodrer det centrale sorte hul og hvirvler måske gassen lidt op, men efterlader praktisk talt galaksen intakt. Lidt ligesom at kaste småsten på en glasrude: Du kan ridse den lidt, men ikke smadre den…"

Michele Ginolfis observationer giver de første ledetråde på den multiskala-proces, som driver udviklingen af den sjældne og ekstreme population af varme, støv-indhyldede galakser. De vokser i tætte, særlige habitater, men interaktionen med deres partnere kan være ganske mild.

Som en metafor for denne galaktiske bilulykke var studiet tæt på slet ikke at blive til noget overhovedet, da Michele Ginolfi sad fast i en romersk trafikprop og var nødt til at indsende ansøgningen om brug af teleskopet i sin bil vha. sin telefon, minutter før deadlinen.

Studiet er publiceret for nylig i det videnskabelig tidsskrift Nature Communications: Detection of companion galaxies around hot dust-obscured hyper-luminous galaxy W0410-0913.