Två miljarder år efter Big Bang, universum var fortfarande mycket ungt. Dock, tusentals enorma galaxer, rik på stjärnor och damm, var redan bildade. En internationell studie, leds av SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, förklarar nu hur detta var möjligt. Forskare kombinerade observationella och teoretiska metoder för att identifiera de fysiska processerna bakom deras utveckling och, för första gången, hittade bevis för en snabb tillväxt av damm på grund av en hög koncentration av metaller i det avlägsna universum. Studien, publiceras i Astronomi &Astrofysik , erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att undersöka den evolutionära fasen av massiva föremål.

Sedan deras första upptäckt för 20 år sedan, mycket avlägsna och massiva galaxer som bildar en enorm mängd unga stjärnor - så kallade "dammiga" (stjärnbildande) galaxer - utgör en allvarlig utmaning för astronomer:"Å ena sidan, de är svåra att upptäcka eftersom de bor i täta områden i det avlägsna universum och innehåller dammiga partiklar som absorberar det mesta av det optiska ljuset som utstrålas av unga stjärnor, " förklarar Darko Donevski, postdoktor vid SISSA. "Å andra sidan, många av dessa dammiga "jättar" har bildats när universum var mycket ung, ibland till och med mindre än 1 miljard år gammal, och forskare har undrat hur kan en så stor mängd damm ha producerats så tidigt i tiden."

Studiet av dessa exotiska föremål är nu möjligt tack vare Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Denna interferometer med 66 teleskop i Atacamaöknen i norra Chile kan upptäcka det infraröda ljuset som tränger igenom de dammiga molnen, avslöjar närvaron av nybildade stjärnor. Dock, ursprunget till stora mängder damm vid tidig kosmisk tid är fortfarande en öppen fråga för astronomer. "Under många år trodde forskare att produktionen av kosmiskt stoft uteslutande berodde på explosion av supernovor. nya teoretiska arbeten tyder på att damm också kan växa genom kollisioner av partiklar av kyla, metallrik gas som fyller galaxerna, " förklarar forskaren.

Ett internationellt team av forskare från institutioner baserade i Europa, USA, Kanada och Sydafrika, ledd av Donevski, kombinerade observations- och teoretiska metoder för att studera 300 avlägsna, dammiga galaxer för att avslöja ursprunget till dessa "jättar". Särskilt, de härledde de fysikaliska egenskaperna hos dessa dammiga galaxer genom att anpassa deras spektrala energifördelningar. "Vi hittade en enorm mängd dammmassa i de flesta av våra galaxer. Våra uppskattningar visade att supernovaexplosioner inte kunde vara ansvariga för allt och en del måste produceras genom partikelkollisioner i den gasformiga metallrika miljön runt massiva stjärnor, som tidigare antagits av teoretiska modeller", säger Donevski. "Detta är första gången som observationsdata stödjer existensen av båda produktionsmekanismerna."

Forskare tittade också på massförhållandet mellan damm och stjärna över tid för att studera hur effektivt galaxer skapar och förstör damm under sin evolution. "Detta gjorde det möjligt för oss att identifiera stofts livscykel i två olika populationer av galaxer:normala, så kallad 'huvudsekvens, "galaxer, som långsamt utvecklas, och mer extrema, snabbt utvecklande galaxer, kallas 'stjärnskott, '" sa Lara Pantoni, Ph.D. student på SISSA, som utvecklade den analysmodell som används för datatolkning. Modellen visar den stora potentialen i att beskriva skillnader i dessa två grupper av observerade galaxer. "Intressant, vi visade också att oavsett deras avstånd, stjärnmassa eller storlek, kompakta "starburst"-galaxer har alltid stoft-till-stjärnmassaförhållande högre än de normala galaxerna."

För att fullständigt utvärdera observationsfynden, teamet av astronomer konfronterade också sina data med de senaste galaxsimuleringarna. De använde SIMBA, en ny svit som simulerar bildandet och utvecklingen av miljontals galaxer sedan universums början till nutid, spåra alla deras fysiska egenskaper, inklusive dammmassa. "Tills nu, teoretiska modeller hade problem med att matcha både galaxdamm och stjärnegenskaper samtidigt. Dock, vår nya kosmologiska simuleringssvit, SIMBA, kunde återge de flesta av de observerade data, " förklarar Desika Narayanan, professor i astronomi vid University of Florida och medlem av DAWN-institutet i Köpenhamn.

"Vår studie visar att dammproduktion i "jättar" domineras av mycket snabb tillväxt av partiklar genom deras kollisioner med gas. det ger det första starka beviset att dammbildning sker både under stjärnors död och i utrymmet mellan dessa massiva stjärnor, som antagits från teoretiska studier, avslutar Donevski. "Dessutom, det erbjuder ett nytt blandat tillvägagångssätt för att undersöka utvecklingen av massiva objekt i det avlägsna universum som kommer att testas med framtida rymdteleskop som James Webb Space Telescope."