Universets tidlige galakser voksede sig enorme ved sammenstød
Det har længe undret forskerne, at der i det meget tidlige univers ca. 3 mia. år efter Big Bang fandtes enormt massive galakser, der allerede var gamle og ikke længere dannede nye stjerner. Nu viser ny forskning fra bl.a. Niels Bohr Institutet, at de massive galakser er dannet ved eksplosiv stjernedannelse, der er sat igang ved sammenstød af galakser få milliarder år efter Big Bang. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Astrophysical Journal.
Billedet sammenligner størrelsen af de ekstremt kompakte døde galakser i det tidlige univers med størrelsen af Mælkevejen, vores egen galakse. De to galaksetyper indeholder omtrent lige mange stjerner, hvilket betyder, at tætheden af stjerner i de kompakte galakser var mere end 10 gange højere end i Mælkevejen. Forskerne har nu opklaret, hvordan disse ekstreme galakser blev dannet. (NASA, ESA, S. Toft and A. Feild)
Galakser er gigantiske samlinger af stjerner, gas og mørkt stof. De mindste galakser indeholder få millioner stjerner, mens de største kan indeholde flere hundrede milliarder stjerner. De første stjerner opstod allerede i det meget tidlige univers ca. 200 millioner år efter Big Bang af gasserne brint og helium. Gas er universets råmateriale til at danne stjerner. Disse kæmpe skyer af gas og støv trækker sig sammen og til sidst er gassen så kompakt, at trykket opvarmer stoffet, så der opstår glødende gaskugler, nye stjerner er født. Stjernerne er samlet i galakser, hvoraf de første er en slags babygalakser. Så længe der er gas i galaksen, dannes der hele tiden nye stjerner.
Mysterier i universets barndom
Astronomernes teori er derfor, at universets strukturer er opbygget ved, at babygalakserne gradvist voksede sig større og mere massive ved hele tiden at danne nye stjerner og ved at støde sammen med nabogalakser og danne nye, større galakser. De største galakser i vore dages univers skal på den måde have været under konstant opbygning gennem hele universets historie.
"Det undrede os derfor, at vi allerede på det tidspunkt, da universet var ca. 3 mia. år gammelt fandt galakser, som var lige så massive som vore dages store spiralgalakser og som de største elliptiske galakser, der er giganterne i det lokale univers. Disse tidlige galakser var ekstremt massive, men stjernerne var presset sammen på et meget lille område, så selve størrelsen af galaksen var tre gange mindre end de store massive galakser idag. Det betyder, at tætheden af stjerner var mere end 10 gange så stor. Ydermere var galakserne allerede døde, så de var færdige med dannelse af nye stjerner. Det var et stort mysterium", fortæller astrofysiker Sune Toft, Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
De ekstremt massive og kompakte galakser var ikke fladtrykte spiralgalakser, hvor stjerner og gas roterer omkring centrum. De mindede mere om elliptiske galakser, hvor stjernerne bevæger sig mere hid og did, og hvor gassen til nye stjernedannelser er brugt op. Men hvordan kunne galakserne blive så massive og så udbrændte så tidligt? – hvordan blev de dannet?
Opklaring af mysteriet
Illustrationen viser udviklingen over 13 milliarder år af massive, elliptiske galakser, baseret på observationerne fra både rumbaserede og jordbaserede teleskoper. Dannelsen af denne type galakse er drevet af intens stjernedannelse i de såkaldte SMG-galakser og sammensmeltning med andre galakser. (NASA, ESA, S. Toft og A. Feild)
For at opklare, hvad der er sket, måtte Sune Toft derfor kigge endnu længere tilbage i tiden. Ud fra galaksernes aldre vidste han, at de måtte være dannet meget tidligt i universets historie, men også, at der på det tidspunkt simpelthen ikke var tid nok til, at galakserne kunne vokse sig så massive ved normal stjernedannelse. Han havde en teori om, at de massive galakser var dannet ved sammensmeltning mellem mindre galakser, men det alene kunne ikke forklare, hvordan de var blevet så massive så hurtigt og allerede var døde. Teorien var derfor, at det måtte være nogle særligt ekstreme galakser, der indgik i dannelsesprocessen.
"Vi studerede galakserne, der fandtes, da universet var mellem 1 og 2 mia. år gammelt. Min teori om, at det måtte være nogle galakser med helt særlige egenskaber, der indgik i dannelsesprocessen gjorde, at jeg fokuserede på de særlige SMG-galakser, der er domineret af intens stjernedannelse skjult under en tyk dyne af støv", fortæller Sune Toft.
Han forklarer, at når sådanne gasrige galakser smelter sammen sker der det, at al gassen drives ind i centret af det stjernedannende område og det bevirker, at der sker en eksplosion af nye stjernedannelser. Man får altså dannet rigtigt mange stjerner i centrum, og galaksen bliver hurtigt meget kompakt. Men med den eksplosive stjernedannelse bliver gassen til at danne nye stjerner også brugt op ekstremt hurtigt, og så får man en død galakse.
"Jeg fandt, at der var en direkte udviklingsmæssig sammenhæng mellem to af de mest ekstreme galaksetyper, vi har i universet – de fjerneste og mest intenst stjernedannende galakser fra kort tid efter Big Bang - og de ekstremt kompakte døde galakser, vi ser 1-2 mia. år senere", siger Sune Toft. De nye forskningsresultater er et gennembrud i opklaringen af dannelsesprocessen af de enormt massive, døde galakser i det tidlige univers.
Lundbeckfonden har støttet denne forskning.