Massiva galaxer var redan mycket mer mogna i det tidiga universum än vad som tidigare förväntats. Detta visades av ett internationellt team av astronomer som studerade 118 avlägsna galaxer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

De flesta galaxer bildades när universum fortfarande var mycket ung. Vår egen galax, till exempel, började troligen bildas för 13,6 miljarder år sedan, i vårt 13,8 miljarder år gamla universum. När universum bara var tio procent av sin nuvarande ålder (1-1,5 miljarder år efter Big Bang), de flesta av galaxerna upplevde en "tillväxtspurt". Under denna tid, de byggde upp det mesta av sin stjärnmassa och andra egenskaper, som damm, innehåll av tungt element, och spiralskivor, som vi ser i dagens galaxer. Därför, om vi vill lära oss hur galaxer som vår Vintergatan bildades, det är viktigt att studera denna epok.

I en undersökning kallad ALPINE (ALMA Large Program to Investigate C+ at Early Times), ett internationellt team av astronomer studerade 118 galaxer som upplevde en sådan "tillväxtspurt" i det tidiga universum. "Till vår förvåning, många av dem var mycket mer mogna än vi hade förväntat oss, " sa Andreas Faisst från Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) vid California Institute of Technology (Caltech).

Galaxer anses vara mer "mogna" än "ursprungliga" när de innehåller en betydande mängd damm och tunga grundämnen. "Vi förväntade oss inte att se så mycket damm och tunga element i dessa avlägsna galaxer, " sa Faisst. Damm och tunga grundämnen (definierade av astronomer som alla grundämnen tyngre än väte och helium) anses vara en biprodukt av döende stjärnor. Men galaxer i det tidiga universum har inte haft mycket tid att bygga stjärnor än, så astronomer förväntar sig inte att se mycket damm eller tunga element där heller.

"Från tidigare studier, vi förstod att sådana unga galaxer är dammfattiga, " sa Daniel Schaerer vid universitetet i Genève i Schweiz. "Men, vi finner att cirka 20 procent av galaxerna som samlades under denna tidiga epok redan är mycket dammiga och en betydande del av det ultravioletta ljuset från nyfödda stjärnor är redan dold av detta damm, " han lade till.

Många av galaxerna ansågs också vara relativt vuxna eftersom de visade en mångfald i sina strukturer, inklusive de första tecknen på rotationsstödda skivor – som senare kan leda till galaxer med en spiralstruktur som observeras i galaxer som vår Vintergatan. Astronomer förväntar sig i allmänhet att galaxer i det tidiga universum ser ut som tågvrak eftersom de ofta kolliderar. "Vi ser många galaxer som kolliderar, men vi ser också ett antal av dem rotera på ett ordnat sätt utan tecken på kollisioner, " sa John Silverman från Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe i Japan.

ALMA har sett mycket avlägsna galaxer tidigare, såsom MAMBO-9 (en mycket dammig galax) och Wolfe Disk (en galax med en roterande skiva). Men det var svårt att säga om dessa upptäckter var unika, eller om det fanns fler galaxer som dem där ute. ALPINE är den första undersökningen som gjorde det möjligt för astronomer att studera ett betydande antal galaxer i det tidiga universum, och det visar att de kan utvecklas snabbare än väntat. Men forskarna förstår ännu inte hur dessa galaxer växte upp så snabbt, och varför vissa av dem redan har roterande skivor.

Observationer från ALMA var avgörande för denna forskning eftersom radioteleskopet kan se stjärnbildningen som döljs av damm och spåra rörelsen hos gas som släpps ut från stjärnbildande regioner. Undersökningar av galaxer i det tidiga universum använder vanligtvis optiska och infraröda teleskop. Dessa möjliggör mätning av den fria stjärnbildningen och stjärnmassorna. Dock, dessa teleskop har svårt att mäta damm skymma områden, där stjärnor bildas, eller gasens rörelser i dessa galaxer. Och ibland ser de inte en galax alls. "Med ALMA upptäckte vi några avlägsna galaxer för första gången. Vi kallar dessa för Hubble-mörka eftersom de inte kunde upptäckas ens med Hubble-teleskopet, " sa Lin Yan från Caltech.

För att lära dig mer om avlägsna galaxer, astronomerna vill peka ALMA mot enskilda galaxer under en längre tid. "Vi vill se exakt var dammet finns och hur gasen rör sig. Vi vill också jämföra de dammiga galaxerna med andra på samma avstånd och ta reda på om det kan vara något speciellt med deras miljöer, " tillade Paolo Cassata från University of Padua i Italien, tidigare vid Universidad de Valparaíso i Chile.

ALPINE är den första och största multivåglängdsundersökningen av galaxer i det tidiga universum. För ett stort urval av galaxer samlade teamet in mätningar i den optiska (inklusive Subaru, PERSPEKTIV, Hubble, Keck och VLT), infraröd (Spitzer), och radio (ALMA). Flervåglängdsstudier behövs för att få hela bilden av hur galaxer är uppbyggda. "En så stor och komplex undersökning är bara möjlig tack vare samarbetet mellan flera institut över hela världen, " sa Matthieu Béthermin från Laboratoire d'Astrophysique de Marseille i Frankrike.