Så ung och redan så utvecklad:tack vare observationer från det stora kikarteleskopet, ett internationellt team av forskare koordinerat av Paolo Saracco från Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italien) kunde rekonstruera den vilda evolutionära historien för en extremt massiv galax som existerade för 12 miljarder år sedan, när universum bara var 1,8 miljarder år gammalt, mindre än 13 % av sin nuvarande ålder. Denna galax, dubbad C1-23152, bildades på bara 500 miljoner år, en otroligt kort tid för att ge upphov till en massa på cirka 200 miljarder solar. Att göra så, den producerade så många som 450 stjärnor per år, mer än en per dag, en stjärnbildningshastighet nästan 300 gånger högre än den nuvarande takten i Vintergatan. Informationen som erhålls från denna studie kommer att vara grundläggande för galaxbildningsmodeller för objekt som det för närvarande är svårt att redogöra för.

De mest massiva galaxerna i universum når massor som är flera hundra miljarder gånger solens, och även om de numeriskt bara är en tredjedel av alla galaxer, de innehåller mer än 70% av stjärnorna i universum. Av denna anledning, hastigheten med vilken dessa galaxer bildades och den inblandade dynamiken är bland de mest omdiskuterade frågorna inom modern astrofysik. Den nuvarande modellen för galaxbildning - den så kallade hierarkiska modellen - förutspår att mindre galaxer bildades tidigare, medan mer massiva system bildades senare, genom efterföljande sammanslagningar av de redan existerande mindre galaxerna.

Å andra sidan, några av egenskaperna hos de mest massiva galaxerna som observerats i lokaluniversum, såsom åldern på deras stjärnpopulationer, föreslå istället att de bildades vid tidiga epoker. Tyvärr, mångfalden av evolutionära fenomen som galaxer kan genomgå under sina liv tillåter inte astronomer att definiera hur de bildades, lämnar stora osäkerhetsmarginaler. Dock, ett svar på dessa frågor kan komma från studiet av egenskaperna hos massiva galaxer i det tidiga universum, så nära som möjligt den tid då de bildade större delen av sin massa.

Sjutton timmars spektroskopiska observationer av den elliptiska galaxen C1-23152 med Large Binocular Telescope (LBT) gjorde det möjligt för Saraccos team att rekonstruera sin evolutionära historia vid en period då universum var mindre än 13 % av sin nuvarande ålder. "Datan visar att bildningstiden för C1-23152, det är, tiden som förflutit mellan bildandet av de första stjärnorna från den redan existerande gasen till det ögonblick då stjärnbildningen nästan helt hade upphört, är mindre än 500 miljoner år, säger Paolo Saracco, forskare vid INAF i Milano och första författare till artikeln publicerad i The Astrophysical Journal . "Också, från data som samlats in med LBT, vi kunde konstatera att på denna korta tid, motsvarande mindre än fyra hundradelar av universums ålder, galaxen bildade en massa lika med cirka 200 miljarder stjärnor som solen, det är, cirka 450 solar per år. Vår galax, Vintergatan, bildar nu inte mer än två per år, " tillägger Danilo Marchesini, professor vid Tufts University och andra författare till artikeln. Dessutom, den stora mängden information som samlades in gjorde det möjligt för teamet att kvantifiera mängden kemiska grundämnen tyngre än helium (den så kallade metalliciteten) för första gången i en galax så långt borta:Stjärnorna i denna galax har, förvånande, en högre metallicitet än solens, liknande den som observeras i de mest massiva galaxerna i universum idag.

"Dessa observationer visade att bildandet av de mest massiva galaxerna i universum kan ske extremt snabbt, genom en extremt intensiv stjärnbildningsprocess i det tidiga universum, som för C1-23152, säger Francesco La Barbera, forskare vid INAF i Neapel.

"Förstå om scenariot som beskriver bildandet av C1-23152 är ett särskilt fall eller om, tvärtom, det är vad som händer för de flesta av de mest massiva galaxerna i universum, är av grundläggande betydelse, eftersom detta skulle kräva en djupgående revidering av galaxbildningsmodellerna, " tillägger Adriana Gargiulo, även forskare vid INAF i Milano och medförfattare till studien.

Bildandet av stjärnmassor så höga som för C1-23152 kräver både höga massor av gas för att omvandlas till stjärnor och speciella fysiska förhållanden. Ett möjligt scenario som hypotesen av forskarna är att massiva urgasmoln, faller under effekten av gravitationskraften i samma region, kollidera, utlöser våldsamma och massiva stjärnbildningsprocesser. Ur observationssynpunkt, prekursorerna till de mest massiva galaxerna kan därför vara avlägsna galaxer med en mycket hög takt av stjärnbildning.

"För att testa våra hypoteser, de observationer som nästa generations instrument kommer att tillåta oss att utföra kommer att vara avgörande, särskilt, James Webb Space Telescope (JWST) som kommer att skjutas upp i omloppsbana i slutet av 2021, och Extremely Large Telescope (ELT) det största markbaserade teleskopet som någonsin byggts, med en huvudspegel på 39 meter i diameter, som kommer att vara i drift 2026, avslutar Saracco.