Att komma till stånd, galaxer behöver en stadig diet av kalla gaser för att genomgå gravitationskollaps. Ju större galaxen är, desto mer kall gas behöver den för att smälta samman och växa.

Massiva galaxer som hittades i det tidiga universum behövde mycket kall gas – ett lager som totalt var så mycket som 100 miljarder gånger vår sols massa.

Men var kom dessa tidigt, superstora galaxer får så mycket kall gas när de inkapslades av varmare omgivningar?

I en ny studie, astronomer ledda av University of Iowa rapporterar direkt, observationsbevis på strömmar av kall gas som de tror försörjde dessa tidiga, massiva galaxer. De upptäckte kalla gasledningar som bröt igenom den varma atmosfären i den mörka materiens halo i en tidig massiv galax, tillhandahåller material för galaxen att bilda stjärnor.

För ungefär två decennier sedan, fysiker som arbetade med simuleringar teoretiserade att under det tidiga universum, kosmiska filament transporterade kall gas och embryonala, nodformade galaxer till en gloria av mörk materia, där allt klumpats ihop för att bilda massiva galaxer. Teorin antog att filamenten skulle behöva vara smala och tätt fyllda med kall gas för att undvika att skalas av av den varmare omgivande atmosfären.

Men teorin saknade direkta bevis. I den här studien, forskare studerade ett gasområde som omger en massiv galax som bildades när universum var cirka 2,5 miljarder år gammalt, eller bara 20 % av sin nuvarande ålder. Galaxen var tidigare ostuderad, och det tog teamet fem år att fastställa dess exakta plats och avstånd (genom dess rödförskjutning). Teamet behövde ett specialutrustat observatorium, Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, eftersom målgalaxens miljö är så dammig att den bara kan ses i det elektromagnetiska spektrumets submillimeterområde.

"Det är prototypen, det första fallet där vi upptäckte en ström i haloskala som matar en mycket massiv galax, säger Hai Fu, docent vid Iowas institution för fysik och astronomi och studiens ledare och motsvarande författare. "Baserat på våra observationer, sådana strömmar kan fylla upp reservoaren på ungefär en miljard år, vilket är mycket kortare än den tid som var tillgänglig för galaxen vid den epok som vi observerade."

Avgörande, forskarna hittade två bakgrundskvasarer som projiceras på nära vinkelavstånd till målgalaxen, ungefär som hur Jupiter och Saturnus rörelse drog dem närmare varandra när de ses från jorden under den stora konjunktionen i december förra året. På grund av denna unika konfiguration, kvasarernas ljus som penetrerar halogasen i förgrundsgalaxen lämnade kemiska "fingeravtryck" som bekräftade förekomsten av en smal ström av kall gas.

De kemiska fingeravtrycken visade att gasen i strömmarna hade en låg koncentration av tunga grundämnen som aluminium, kol, järn, och magnesium. Eftersom dessa element bildas när stjärnan fortfarande lyser och släpps ut i det omgivande mediet när stjärnan dör, forskarna bestämde att de kalla gasströmmarna måste strömma in utifrån, snarare än att bli utvisad från själva stjärnbildande galaxen.

"Bland de 70, 000 starburst-galaxer i vår undersökning, detta är den enda som är associerad med två kvasarer som båda är tillräckligt nära för att undersöka halogasen. Ännu mer, båda kvasarerna projiceras på samma sida av galaxen så att deras ljus kan blockeras av samma ström på två olika vinkelavstånd." säger Fu. "Så, Jag känner mig oerhört lyckligt lottad att naturen gav oss denna möjlighet att upptäcka denna stora artär som leder till hjärtat av en fenomenal galax under dess tonårstid."

Studien, "En lång ström av metallfattig sval gas runt en massiv starburst-galax vid Z=2,67, " publicerades online i Astrofysisk tidskrift 24 februari.