James Webb finder overraskende modne galakser i tidlig kosmisk megastruktur

Ved hjælp af rumteleskopet James Webb har et internationalt forskerhold, ledet af en dansk astronomistuderende ved Cosmic Dawn Center i København, vist at nogle af de tungeste galakser i det tidlige Univers udviklede sig hurtigere end forventet.

Ved at studere en gigantisk, nyligt opdaget galaksehob, “Cosmic Vine”, fandt astronomerne, at den enorme struktur rummer mange flere galakser, herunder flere Tunge “døde” galakser, som allerede er ophørt med at danne stjerner.

Tunge galaksehobe - enorme samlinger af hundreder eller tusinder af galakser - er de største strukturer vi kender, som er bundet sammen af tyngdekraften. Over milliarder af år samles de langsomt fra mindre grupper, efterhånden som galakser tiltrækkes mod et fælles centrum.

Hvis det kan lykkes at fange dem mens de dannes, giver det astronomer mulighed for at teste, hvor hurtigt galakserne vokser, stopper stjernedannelse og etablerer sig i de ordnede systemer, vi ser i dag. Nu udfordrer nye observationer forventningerne.

Et overraskende stort antal “døde” galakser

En sådan megastruktur, opdaget tilbage i 2023, er den galaksehob, man kalder “the Cosmic Vine”, efter dens galaksers lighed med druer på en vinranke. Vi ser hoben blot 1,8 milliarder år efter Big Bang — omkring 13% af Universets nuværende alder.

Nu har et internationalt forskerhold, ledet af astronomer ved Cosmic Dawn Center (DAWN) på DTU Space og Niels Bohr Institutet i København, identificeret 11 “døde” eller inaktive galakser inde i Cosmic Vine. Det vil sige galakser, der af den ene eller den anden grund er ophørt med at danne nye stjerner. Dette er den største kendte forekomst af inaktive galakser, der nogensinde er opdaget i en så ung struktur.

Opdagelsen blev gjort takket være nye data indsamlet af rumteleskopet James Webb og en stor database med alle Webbs spektroskopiske data, “DAWN JWST Archive”, kurateret af Cosmic Dawn Center.

Interessant nok viste analysen af ​​galakserne en særlig karakteristisk egenskab: Da forskerne plottede galakserne efter farve og lysstyrke, fandt de en tydelig “rød sekvens” — et tæt bånd af røde, ikke-stjernedannende galakser, der normalt kun ses i mere udviklede galaksehobe i det nære Univers.

“At plotte galaksernes lysstyrke og farver er standardprocedure, når man analyserer et udvalg af galakser,” forklarer Nikolaj B. Sillassen, PhD-studerende ved DAWN og leder af studiet. “Men i dette tilfælde dannede dataene en veldefineret rød sekvens, et træk, der typisk ses i modne galaksehobe i det senere Univers. Denne tidlige forekomst af en rød sekvens antyder, at Cosmic Vine allerede er godt på vej til at blive en fuldt dannet galaksehob.”

Teamet fandt også, at Cosmic Vine indeholder flere inaktive galakser end forventet, sammenlignet med galakser fundet andre steder i det tidlige Univers.

“Den store population af inaktive galakser fortæller os, at Cosmic Vine modnes hurtigere end forventet for en så ung struktur," siger Shuowen Jin, Marie Skłodowska-Curie-fellow ved DAWN og mentor på projektet.

Sløret løftes for hobenes mørk side

I alt bekræftede forskerne 136 galakser som medlemmer af Cosmic Vine, hvilket gør den til en af ​​de rigeste tidlige strukturer nogensinde observeret.

Ud fra deres fordeling identificerede holdet fire substrukturer, spredt over et område på 4,7 gange 3,0 millioner lysår, plus to grupper i forgrunden, døbt “the Cosmic Leaf”, omkring 65 millioner lysår tættere på os. Hver substruktur er en lille galaksegruppe, som sandsynligvis vil smelte sammen med  kernen i den dannede hob i fremtiden.

“Det meste af massen i disse systemer findes i form at usynligt mørkt stof”, siger Nikolaj B. Sillassen. “Vi er nødt til at forstå ikke kun galakserne i protohobe – altså de tidlige galaksehobe - men også det mørke stof, der binder dem sammen, for bedre at forstå naturen og udviklingshistorien for strukturer som denne Kosmiske Vinranke.”

Ved at anvende flere komplementære avancerede teknikker estimerede holdet indholdet af mørkt stof i hver substruktur. De fandt, at protohobens kerne indeholder ti gange mere mørkt stof end nogen af ​​de mindre undergrupper.

Sammenligninger med avancerede simuleringer viser, at Cosmic Vine er på vej til at udvikle sig til en af ​​de tungeste galaksehobe i det tidlige Univers.