I vårt 13,8 miljarder år gamla universum, de flesta galaxer som vår Vintergatan bildas gradvis, når sin stora massa relativt sent. Men en ny upptäckt som gjorts med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) av en massiv roterande skivgalax, sett när universum bara var tio procent av sin nuvarande ålder, utmanar de traditionella modellerna för galaxbildning. Denna forskning visas den 20 maj 2020 i tidskriften Natur .

Galaxy DLA0817g, fick smeknamnet Wolfe Disk efter den bortgångne astronomen Arthur M. Wolfe, är den mest avlägsna roterande skivgalaxen som någonsin observerats. Den oöverträffade kraften hos ALMA gjorde det möjligt att se denna galax snurra i 170 miles (272 kilometer) per sekund, liknande vår Vintergatan.

"Medan tidigare studier antydde förekomsten av dessa tidiga roterande gasrika skivgalaxer, tack vare ALMA har vi nu entydiga bevis för att de inträffar så tidigt som 1,5 miljarder år efter Big Bang, " sa huvudförfattaren Marcel Neeleman från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland.

Hur bildades Wolfe Disk?

Upptäckten av Wolfe Disk utgör en utmaning för många galaxbildningssimuleringar, som förutspår att massiva galaxer vid denna tidpunkt i kosmos evolution växte genom många sammanslagningar av mindre galaxer och heta gasklumpar.

"De flesta galaxer som vi hittar tidigt i universum ser ut som tågvrak eftersom de genomgick konsekvent och ofta "våldsam" sammansmältning, " förklarade Neeleman. "Dessa heta sammanslagningar gör det svårt att bilda välordnade, kallroterande skivor som vi observerar i vårt nuvarande universum."

I de flesta scenarier för galaxbildning, galaxer börjar visa en välformad skiva först cirka 6 miljarder år efter Big Bang. Det faktum att astronomerna hittade en sådan skivgalax när universum bara var tio procent av sin nuvarande ålder, indikerar att andra tillväxtprocesser måste ha dominerat.

"Vi tror att Wolfe Disk har vuxit främst genom den stadiga ansamlingen av kall gas, " sade J. Xavier Prochaska, vid University of California, Santa Cruz och medförfattare till tidningen. "Fortfarande, en av frågorna som återstår är hur man sätter ihop en så stor gasmassa samtidigt som en relativt stabil, roterande skiva."

Stjärnbildning

Teamet använde också National Science Foundations Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) och NASA/ESA-rymdteleskopet Hubble för att lära sig mer om stjärnbildning på Wolfe-skivan. I radiovåglängder, ALMA tittade på galaxens rörelser och massa av atomär gas och stoft medan VLA mätte mängden molekylmassa – bränslet för stjärnbildning. I UV-ljus, Hubble observerade massiva stjärnor. "Stjärnbildningshastigheten i Wolfe Disk är minst tio gånger högre än i vår egen galax, " förklarade Prochaska. "Det måste vara en av de mest produktiva skivgalaxerna i det tidiga universum."

En "normal" galax

Wolfe-skivan upptäcktes första gången av ALMA 2017. Neeleman och hans team hittade galaxen när de undersökte ljuset från en mer avlägsen kvasar. Ljuset från kvasaren absorberades när det passerade genom en massiv reservoar av vätgas som omgav galaxen – vilket är hur det avslöjade sig. Istället för att leta efter direkt ljus från extremt ljus, men mer sällsynta galaxer, astronomer använde denna "absorptionsmetod" för att hitta svagare, och mer "normala" galaxer i det tidiga universum.

"Det faktum att vi hittade Wolfe Disk med den här metoden, berättar för oss att den tillhör den normala populationen av galaxer som fanns vid tidiga tidpunkter, " sa Neeleman. "När våra senaste observationer med ALMA överraskande visade att den roterar, vi insåg att tidiga roterande skivgalaxer inte är så sällsynta som vi trodde och att det borde finnas mycket fler av dem där ute."

"Denna observation visar hur vår förståelse av universum förbättras med den avancerade känslighet som ALMA tillför radioastronomi, sa Joe Pesce, programdirektör för astronomi vid National Science Foundation, som finansierar teleskopet. "ALMA låter oss skapa nya, oväntade fynd med nästan varje observation."