Genom att kombinera kraften hos en "naturlig lins" i rymden med förmågan hos NASA:s Hubble Space Telescope, astronomer gjorde en överraskande upptäckt – det första exemplet på en kompakt men ändå massiv, snabbt snurrande, skivformad galax som slutade göra stjärnor bara några miljarder år efter big bang.

Att hitta en sådan galax tidigt i universums historia utmanar den nuvarande förståelsen av hur massiva galaxer bildas och utvecklas, säger forskare.

När Hubble fotograferade galaxen, astronomer förväntade sig att se en kaotisk boll av stjärnor bildas genom galaxer som smälter samman. Istället, de såg bevis på att stjärnorna föddes i en pannkaksformad skiva.

Detta är det första direkta observationsbeviset för att åtminstone några av de tidigaste så kallade "döda" galaxerna – där stjärnbildningen slutade – på något sätt utvecklas från en Vintergatan-formad skiva till de jättelika elliptiska galaxer vi ser idag.

Detta är en överraskning eftersom elliptiska galaxer innehåller äldre stjärnor, medan spiralgalaxer vanligtvis innehåller yngre blå stjärnor. Åtminstone några av dessa tidiga "döda" skivgalaxer måste ha genomgått stora omvandlingar. De ändrade inte bara sin struktur, men också deras stjärnors rörelser för att skapa en form av en elliptisk galax.

"Denna nya insikt kan tvinga oss att ompröva hela det kosmologiska sammanhanget av hur galaxer brinner ut tidigt och utvecklas till lokala elliptisk-formade galaxer, " sa studieledare Sune Toft från Dark Cosmology Center vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, Danmark. "Kanske har vi varit blinda för det faktum att tidiga "döda" galaxer faktiskt kan vara skivor, helt enkelt för att vi inte har kunnat lösa dem."

Tidigare studier av avlägsna döda galaxer har antagit att deras struktur liknar de lokala elliptiska galaxer de kommer att utvecklas till. Att i princip bekräfta detta antagande kräver mer kraftfulla rymdteleskop än vad som finns tillgängligt för närvarande. Dock, genom fenomenet som kallas "gravitationslinsning, " en massiv, förgrundskluster av galaxer fungerar som en naturlig "zoomlins" i rymden genom att förstora och sträcka ut bilder av långt mer avlägsna bakgrundsgalaxer. Genom att förena denna naturliga lins med Hubbles upplösningskraft, forskare kunde se in i centrum av den döda galaxen.

Den avlägsna galaxen är tre gånger så massiv som Vintergatan men bara hälften så stor. Rotationshastighetsmätningar gjorda med European Southern Observatorys Very Large Telescope (VLT) visade att skivgalaxen snurrar mer än dubbelt så snabbt som Vintergatan.

Genom att använda arkivdata från Cluster Lensing And Supernova-undersökningen med Hubble (CLASH), Toft och hans team kunde bestämma stjärnmassan, stjärnbildningshastighet, och stjärnornas åldrar.

Varför denna galax slutade bilda stjärnor är fortfarande okänt. Det kan vara resultatet av en aktiv galaktisk kärna, där energi forsar från ett supermassivt svart hål. Denna energi hämmar stjärnbildningen genom att värma upp gasen eller driva ut den från galaxen. Eller det kan vara resultatet av att den kalla gasen som strömmar till galaxen snabbt komprimeras och värms upp, hindrar den från att kylas ner till stjärnbildande moln i galaxens centrum.

Men hur gör dessa unga, massiv, CD-skivor utvecklas till de elliptiska galaxer vi ser i dagens universum? "Antagligen genom sammanslagningar, " sa Toft. "Om dessa galaxer växer genom att smälta samman med mindre följeslagare, och dessa mindre följeslagare kommer i stort antal och från alla möjliga olika vinklar till galaxen, detta skulle till slut randomisera stjärnornas banor i galaxerna. Man skulle också kunna tänka sig stora sammanslagningar. Detta skulle definitivt också förstöra stjärnornas ordnade rörelse."

Resultaten publiceras i numret av tidskriften den 22 juni Natur . Toft och hans team hoppas kunna använda NASA:s kommande rymdteleskop James Webb för att leta efter ett större urval av sådana galaxer.

Hubble Space Telescope är ett projekt för internationellt samarbete mellan NASA och ESA (European Space Agency). NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, sköter teleskopet. Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore, Maryland, bedriver Hubble vetenskapsverksamhet. STScI drivs för NASA av Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., i Washington, D.C.

Very Large Telescope är en teleskopanläggning som drivs av European Southern Observatory på Cerro Paranal i Atacamaöknen i norra Chile.