Galaktyki w niemowlęcym Wszechświecie były zaskakująco dojrzałe
Już we wczesnym Wszechświecie masywne galaktyki były znacznie bardziej dojrzałe, niż oczekiwano. Zostało to pokazane przez międzynarodowy zespół astronomów, który za pomocą teleskopów ALMA zbadał 118 odległych galaktyk.
Większość galaktyk powstała, gdy Wszechświat był jeszcze bardzo młody. Na przykład nasza własna galaktyka prawdopodobnie zaczęła się formować 13,6 mld lat temu we Wszechświecie, który obecnie liczy 13,8 mld lat. Kiedy Wszechświat miał zaledwie 10% swojego obecnego wieku (1-1,5 mld lat po Wielkim Wybuchu), większość galaktyk doświadczyła „zrywu wzrostu”. W tym czasie nagromadziły większość swojej masy gwiazdowej i innych właściwości, takich jak pył, zawartość ciężkich pierwiastków i kształty dysków spiralnych, które obserwujemy w dzisiejszych galaktykach. Dlatego jeżeli chcemy dowiedzieć się, w jaki sposób powstały galaktyki takie, jak nasza Droga Mleczna, ważne jest, aby przestudiować tę epokę.
W badaniu zwanym ALPINE (ALMA Large Program to Investigate C+ at Early Times) międzynarodowy zespół zbadał 118 galaktyk doświadczających takiego „zrywu wzrostu” we wczesnym Wszechświecie. „Ku naszemu zdziwieniu, wiele z nich było dużo bardziej dojrzałych, niż się spodziewaliśmy” – powiedział Andreas Faisst z Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) w Caltech.
Galaktyki uważane są za bardziej „dojrzałe” niż „pierwotne” wtedy, gdy zawierają znaczną ilość pyłu i ciężkich pierwiastków. „Nie spodziewaliśmy się, że w tych odległych galaktykach jest tyle pyłu i ciężkich pierwiastków” – powiedział Faisst. Pył i ciężkie pierwiastki (astronomowie tak nazywają pierwiastki cięższe od wodoru i helu) są uważane za produkt uboczny umierających gwiazd. Ale galaktyki we wczesnym Wszechświecie nie miały wystarczającej ilości czasu na budowę gwiazd, więc astronomowie również tam nie spodziewają się zobaczyć dużo pyłu ani ciężkich pierwiastków.
„Z poprzednich badań wynika, że takie młode galaktyki są ubogie w pył. Jednak odkrywamy, że około 20% galaktyk, które utworzyły się w tak wczesnej epoce, jest już bardzo pyłowych, a znaczna część światła ultrafioletowego z nowonarodzonych gwiazd jest już ukryta przez ten pył” – dodał.
Wiele galaktyk uznawano również za stosunkowo dojrzałe, ponieważ wykazywały różnorodność w swoich strukturach, w tym pierwsze oznaki rotujących dysków – co może później prowadzić do galaktyk o strukturze spiralnej, jak obserwuje się w galaktykach takich jak nasza Droga Mleczna. Astronomowie ogólnie spodziewają się, że galaktyki we wczesnym Wszechświecie wyglądają jak wraki pociągów, ponieważ często się zderzają. „Widzimy wiele zderzających się galaktyk, ale widzimy również wiele z nich wirujących w uporządkowany sposób, bez oznak kolizji” – powiedział John Silverman z Instytutu Fizyki i Matematyki Wszechświata w Kavli w Japonii.
ALMA już wcześniej zauważył odległe galaktyki, takie jak MAMBO-9 (bardzo zakurzona galaktyka) i Dysk Wolfa (galaktyka z rotującym dyskiem). Trudno było jednak powiedzieć, czy te odkrycia były wyjątkowe, czy też istnieje więcej takich galaktyk. ALPINE to pierwsze badanie, które umożliwiło astronomom zbadanie znacznej ilości galaktyk we wczesnym Wszechświecie i pokazuje, że mogą one ewoluować szybciej niż oczekiwano. Ale naukowcy nie rozumieją jeszcze, w jaki sposób galaktyki rosły tak szybko i dlaczego niektóre z nich mają już wirujące dyski.
Obserwacje z ALMA były kluczowe dla tych badań, ponieważ radioteleskop może zobaczyć proces formowania się gwiazd, który ukryty jest przez pył i śledzić ruch gazu emitowanego z obszarów gwiazdotwórczych. W badaniach galaktyk we wczesnym Wszechświecie wykorzystuje się zwykle teleskopy optyczne i podczerwone. Umożliwiają one pomiar niezasłoniętych formujących się gwiazd oraz pomiar mas gwiazd. Jednak te teleskopy mają trudność z pomiarem obszarów zasłoniętych przez pył, w których tworzą się gwiazdy, lub ruchów gazu w tych galaktykach. Czasami w ogóle nie widzą galaktyki. „Dzięki ALMA po raz pierwszy odkryliśmy kilka odległych galaktyk. Nazwane zostały Hubble-dark, gdyż nie można ich było wykryć nawet teleskopem Hubble’a” – powiedziała Lin Yan z Caltech.
Aby dowiedzieć się więcej o odległych galaktykach, astronomowie chcą przez dłuższy czas kierować ALMA na poszczególne galaktyki. „Chcemy dokładnie zobaczyć, gdzie jest pył i jak porusza się gaz. Chcemy również porównać zakurzone galaktyki z innymi galaktykami w tej samej odległości i dowiedzieć się, czy w ich otoczeniu może być coś wyjątkowego” – dodał Paolo Cassata z Uniwersytetu w Padwie we Włoszech.
ALPINE to pierwsze i największe badanie galaktyk we wczesnym Wszechświecie na wielu długościach fal. Dla dużej próbki galaktyk zespół zebrał pomiary optyczne (w tym Subaru, VISTA, Hubble, Keck i VLT), podczerwone (Spitzer) i radiowe (ALMA). Aby uzyskać pełny obraz tego, jak powstają galaktyki, potrzebne są badania na wielu długościach fal. „Tak duży i kompleksowy przegląd jest możliwy tylko dzięki współpracy między wieloma instytutami na całym świecie” – powiedział Matthieu Béthermin z Laboratoire d’Astrophysique de Marseille we Francji.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
