Astronomer förväntar sig att de första galaxerna, de som bildades bara några hundra miljoner år efter Big Bang, skulle dela många likheter med några av de dvärggalaxer vi ser i det närliggande universum idag. Dessa tidiga agglomerationer av några miljarder stjärnor skulle sedan bli byggstenarna i de större galaxerna som kom att dominera universum efter de första miljarderna åren.

Pågående observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), dock, har upptäckt överraskande exempel på massiva, stjärnfyllda galaxer som sågs när kosmos var mindre än en miljard år gammalt. Detta tyder på att mindre galaktiska byggstenar kunde samlas till stora galaxer ganska snabbt.

De senaste ALMA-observationerna förskjuter denna epok av massiv galaxbildning ytterligare genom att identifiera två jättegalaxer som sågs när universum bara var 780 miljoner år gammalt, eller cirka 5 procent av sin nuvarande ålder. ALMA avslöjade också att dessa ovanligt stora galaxer är inbäddade i en ännu mer massiv kosmisk struktur, en gloria av mörk materia flera biljoner gånger mer massiv än solen.

De två galaxerna är så nära varandra – mindre än avståndet från jorden till mitten av vår galax – att de snart kommer att smälta samman och bilda den största galax som någonsin observerats vid den perioden i kosmisk historia. Denna upptäckt ger nya detaljer om uppkomsten av stora galaxer och den roll som mörk materia spelar för att sammanställa de mest massiva strukturerna i universum.

Forskarna rapporterar sina resultat i tidskriften Natur .

"Med dessa utsökta ALMA-observationer, astronomer ser den mest massiva galaxen man känner till under universums första miljarder år i färd med att montera sig själv, sa Dan Marrone, docent i astronomi vid University of Arizona i Tucson och huvudförfattare på tidningen.

Astronomer ser dessa galaxer under en period av kosmisk historia som kallas återjoniseringens epok, när det mesta av det intergalaktiska rymden var täckt av en döljande dimma av kall vätgas. När fler stjärnor och galaxer bildades, deras energi joniserade så småningom vätet mellan galaxerna, avslöjar universum som vi ser det idag.

"Vi brukar se det som tiden för små galaxer som arbetar hårt för att tugga iväg det neutrala intergalaktiska mediet, " sa Marrone. "Monterar observationsbevis med ALMA, dock, har hjälpt till att omforma den historien och fortsätter att skjuta tillbaka tiden då riktigt massiva galaxer först uppstod i universum."

Galaxerna som Marrone och hans team studerade, gemensamt känd som SPT0311-58, identifierades ursprungligen som en enda källa av South Pole Telescope. Dessa första observationer indikerade att detta objekt var mycket avlägset och glödde starkt i infrarött ljus, vilket betyder att det var extremt dammigt och sannolikt går igenom en explosion av stjärnbildning. Efterföljande observationer med ALMA avslöjade objektets avstånd och dubbla natur, tydligt lösa paret av interagerande galaxer.

För att göra denna observation, ALMA fick lite hjälp av en gravitationslins, vilket gav en observationsboost till teleskopet. Gravitationslinser bildas när ett mellanliggande massivt föremål, som en galax eller galaxhop, böjer ljuset från mer avlägsna galaxer. Dom gör, dock, förvränga utseendet på föremålet som studeras, kräver sofistikerade datormodeller för att rekonstruera bilden som den skulle se ut i dess oförändrade tillstånd.

Denna "avlinsningsprocess" gav spännande detaljer om galaxerna, visar att den största av de två bildar stjärnor med en hastighet av 2, 900 solmassor per år. Den innehåller också cirka 270 miljarder gånger vår sols massa i gas och nästan 3 miljarder gånger vår sols massa i damm. "Det är en jättestor mängd damm, med tanke på systemets unga ålder, " noterade Justin Spilker, nyutexaminerad från University of Arizona och nu postdoktor vid University of Texas i Austin.

Astronomerna fastställde att den här galaxens snabba stjärnbildning troligen utlöstes av ett nära möte med dess något mindre följeslagare, som redan är värd för cirka 35 miljarder solmassor av stjärnor och ökar sin hastighet av stjärnutbrott i den rasande takten på 540 solmassor per år.

Forskarna noterar att galaxer i denna era är "stökigare" än de vi ser i det närliggande universum. Deras mer röriga former skulle bero på de stora gasförråden som regnar ner över dem och deras pågående interaktioner och sammanslagningar med sina grannar.

De nya observationerna gjorde det också möjligt för forskarna att sluta sig till närvaron av en verkligt massiv mörk materia-halo som omger båda galaxerna. Mörk materia ger tyngdkraften som får universum att kollapsa i strukturer (galaxer, grupper och kluster av galaxer, etc.).

"Om du vill se om en galax är vettig i vår nuvarande förståelse av kosmologi, du vill titta på den mörka materiens halo – den kollapsade mörka materiens struktur – där den finns, sa Chris Hayward, biträdande forskare vid Center for Computational Astrophysics vid Flatiron Institute i New York City. "Lyckligtvis, vi känner mycket väl till förhållandet mellan mörk materia och normal materia i universum, så vi kan uppskatta vad den mörka materiens halomassa måste vara."

Genom att jämföra deras beräkningar med nuvarande kosmologiska förutsägelser, forskarna fann att denna gloria är en av de mest massiva som borde existera vid den tiden.

"Det finns fler galaxer som upptäckts med sydpolsteleskopet som vi följer upp, " sa Joaquin Vieira från University of Illinois i Urbana-Champaign, "och det finns mycket mer undersökningsdata som vi precis har börjat analysera. Vår förhoppning är att hitta fler sådana här objekt, möjligen ännu mer avlägsna sådana, för att bättre förstå denna population av extrema dammiga galaxer och särskilt deras relation till bulkpopulationen av galaxer vid denna epok."

"Hur som helst, vår nästa omgång ALMA-observationer borde hjälpa oss att förstå hur snabbt dessa galaxer kom samman och förbättra vår förståelse av massiv galaxbildning under återjonisering, " tillade Marrone.