Nya observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) har avslöjat det aldrig tidigare skådade nära mötet mellan två häpnadsväckande ljusa och spektakulärt massiva galaxer i det tidiga universum. Dessa så kallade hyper-luminous starburst-galaxer är ytterst sällsynta vid denna epok av kosmisk historia – nära den tidpunkt då galaxer först bildades – och kan representera ett av de mest extrema exemplen på våldsam stjärnbildning som någonsin observerats.

Astronomer fångade dessa två interagerande galaxer, gemensamt känd som ADFS-27, när de började den gradvisa processen att smälta samman till en enda, massiv elliptisk galax. Ett tidigare möte mellan de två hjälpte till att utlösa deras häpnadsväckande utbrott av stjärnbildning. Astronomer spekulerar i att denna sammanslagning så småningom kan bilda kärnan i en hel galaxhop. Galaxhopar är bland de mest massiva strukturerna i universum.

"Att hitta bara en hyperljusande starburst-galax är anmärkningsvärt i sig. Att hitta två av dessa sällsynta galaxer i så nära närhet är verkligen häpnadsväckande, " sa Dominik Riechers, en astronom vid Cornell University i Ithaca, New York, och huvudförfattare på ett papper som visas i Astrofysisk tidskrift . "Med tanke på deras extrema avstånd från jorden och den frenetiska stjärnbildande aktiviteten inuti var och en, det är möjligt att vi kan bevittna den mest intensiva galaxsammanslagningen hittills känt."

Galaxparet ADFS-27 ligger cirka 12,7 miljarder ljusår från jorden i riktning mot konstellationen Dorado. På detta avstånd, astronomer ser detta system som det såg ut när universum bara var omkring en miljard år gammalt.

Astronomer upptäckte först detta system med European Space Agencys Herschel Space Observatory. Det dök upp som en enda röd prick i teleskopets undersökning av den södra himlen. Dessa första observationer antydde att det till synes svaga föremålet i själva verket var både extremt ljust och extremt avlägset. Uppföljningsobservationer med Atacama Pathfinder EXperiment (APEX)-teleskopet bekräftade dessa initiala tolkningar och banade väg för de mer detaljerade ALMA-observationerna.

Med sin högre upplösning och större känslighet, ALMA mätte exakt avståndet till detta objekt och avslöjade att det faktiskt var två distinkta galaxer. Paret av annars fenomenalt sällsynta galaxer tyder på att de bor i ett särskilt tätt område av universum vid den perioden i dess historia, sa astronomerna.

De nya ALMA-observationerna indikerar också att ADFS-27-systemet har ungefär 50 gånger mängden stjärnbildande gas som Vintergatan. "Mycket av denna gas kommer att omvandlas till nya stjärnor mycket snabbt, ", sa Riechers. "Våra nuvarande observationer indikerar att dessa två galaxer verkligen producerar stjärnor i en rasande takt, ungefär tusen gånger snabbare än vår hemmagalax."

Galaxerna – som skulle framstå som platta, roterande skivor — är fulla av extremt ljusa och massiva blå stjärnor. Det mesta av detta intensiva stjärnljus, dock, tar sig aldrig ur galaxerna själva; det finns helt enkelt för mycket döljande interstellärt damm i varje.

Detta damm absorberar det briljanta stjärnljuset, värms upp tills den lyser starkt i infrarött ljus. När detta ljus färdas de enorma kosmiska avstånden till jorden, universums pågående expansion förskjuter det en gång infraröda ljuset till längre millimeter- och submillimetervåglängder, allt tack vare Dopplereffekten.

ALMA var speciellt utformad för att upptäcka och studera ljus av denna typ, vilket gjorde det möjligt för astronomerna att lösa upp ljuskällan i två distinkta objekt. Observationerna visar också galaxernas grundläggande strukturer, avslöjar svansliknande drag som spirades av under deras första möte.

De nya observationerna indikerar också att de två galaxerna är cirka 30, 000 ljusår från varandra, rör sig i ungefär flera hundra kilometer per sekund i förhållande till varandra. När de fortsätter att interagera gravitationsmässigt, varje galax kommer så småningom att sakta ner och falla mot den andra, leder troligen till flera nära möten innan de smälter samman till en massiv, elliptisk galax. Astronomerna förväntar sig att denna process kommer att ta några hundra miljoner år.

"På grund av deras stora avstånd och dammighet, dessa galaxer förblir helt oupptäckta vid synliga våglängder, " noterade Riechers. "Så slutligen, vi hoppas kunna kombinera den utsökta ALMA-datan med framtida infraröda observationer med NASA:s rymdteleskop James Webb. Dessa två teleskop kommer att bilda en astronoms "drömlag" för att bättre förstå naturen av detta och andra sådana exceptionellt sällsynta, extrema system."