Vintergatan är omgiven av dussintals dvärggalaxer som tros vara reliker från de allra första galaxerna i universum. Bland de mest primitiva av dessa galaktiska fossiler är Tucana II – en ultrasvag dvärggalax som är cirka 50 kiloparsek, eller 163, 000 ljusår, från jorden.

Nu har MIT-astrofysiker upptäckt stjärnor i utkanten av Tucana II, i en konfiguration som är förvånansvärt långt från dess centrum men ändå fångad av den lilla galaxens gravitationskraft. Detta är det första beviset på att Tucana II är värd för en utökad mörk materia-halo - en region av gravitationsbunden materia som forskarna beräknade vara tre till fem gånger mer massiv än forskare hade uppskattat. Denna upptäckt av långt borta stjärnor i en forntida dvärggalax antyder att de allra första galaxerna i universum sannolikt också var utvidgade och mer massiva än man tidigare trott.

"Tucana II har mycket mer massa än vi trodde, för att binda dessa stjärnor som är så långt borta, " säger MIT doktorand Anirudh Chiti. "Detta betyder att andra reliker första galaxer förmodligen har dessa typer av utökade glorier också."

Forskarna fastställde också att stjärnorna i utkanten av Tucana II är mer primitiva än stjärnorna i galaxens kärna. Detta är det första beviset på en sådan stjärnobalans i en ultrasvag dvärggalax.

Den unika konfigurationen antyder att den antika galaxen kan ha varit produkten av en av de första sammanslagningarna i universum, mellan två spädbarnsgalaxer – den ena något mindre primitiv än den andra.

"Vi kanske ser den första signaturen av galaktisk kannibalism, säger Anna Frebel, Silverman Family Career Development Docent i fysik vid MIT. "En galax kan ha ätit en av sina något mindre, mer primitiva grannar, som sedan spillde ut alla sina stjärnor i utkanten."

Frebel, Chiti, och deras kollegor har publicerat sina resultat idag i Natur astronomi .

Inte så mysiga galaxer

Tucana II är en av de mest primitiva dvärggalaxerna som är kända, baserat på metallinnehållet i dess stjärnor. Stjärnor med låg metallhalt bildades troligen mycket tidigt, när universum ännu inte producerade tunga grundämnen. När det gäller Tucana II, astronomer hade tidigare identifierat en handfull stjärnor runt galaxens kärna med så lågt metallinnehåll att galaxen ansågs vara den mest kemiskt primitiva av de kända ultrasvaga dvärggalaxerna.

Chiti och Frebel undrade om den antika galaxen kunde hysa andra, ännu äldre stjärnor, som kan kasta ljus över bildandet av universums första galaxer. För att testa denna idé, de fick observationer av Tucana II genom SkyMapper-teleskopet, ett optiskt markbaserat teleskop i Australien som tar in vidsträckta vyer av den södra himlen.

Teamet använde ett bildfilter på teleskopet för att upptäcka primitiva, metallfattiga stjärnor bortom galaxens kärna. Teamet körde en algoritm, utvecklad av Chiti, genom filtrerad data för att effektivt plocka ut stjärnor med lågt metallinnehåll, inklusive de tidigare identifierade stjärnorna i centrum och nio nya stjärnor mycket längre bort från den galaktiska kärnan.

"Anis analys visar en kinematisk koppling, att dessa långt borta stjärnor rör sig i lås med de inre stjärnorna, som badvatten som går ner i avloppet, " tillägger Frebel.

Resultaten tyder på att Tucana II måste ha en förlängd mörk materiahalo som är tre till fem gånger mer massiv än man tidigare trott, för att den ska kunna hålla ett gravitationsgrepp på dessa avlägsna stjärnor. Mörk materia är en hypotetisk typ av materia som tros utgöra mer än 85 procent av universum. Varje galax tros hållas samman av en lokal koncentration, eller halo, av mörk materia.

"Utan mörk materia, galaxer skulle bara flyga isär, " Chiti. säger. "[Mörk materia] är en avgörande ingrediens för att skapa en galax och hålla ihop den."

Teamets resultat är det första beviset på att en ultrasvag dvärggalax kan hysa en förlängd mörk materia-gloria.

"Detta betyder förmodligen också att de tidigaste galaxerna bildades i mycket större mörk materia-glorier än man tidigare trott, " säger Frebel. "Vi har trott att de första galaxerna var de minsta, tråkigaste galaxerna. Men de kan faktiskt ha varit flera gånger större än vi trodde, och inte så liten trots allt."

"En kannibalistisk historia"

Chiti och Frebel följde upp sina första resultat med observationer av Tucana II tagna av Magellan-teleskopen i Chile. Med Magellan, teamet fokuserade på galaxens metallfattiga stjärnor för att härleda deras relativa metallicitet, och upptäckte att de yttre stjärnorna var tre gånger mer metallfattiga, och därför mer primitiv, än de som står i centrum.

"Det här är första gången vi har sett något som ser ut som en kemisk skillnad mellan de inre och yttre stjärnorna i en gammal galax, " säger Chiti.

En trolig förklaring till obalansen kan vara en tidig galaktisk sammanslagning, där en liten galax – möjligen bland den första generationen av galaxer som bildades i universum – svalde en annan närliggande galax. Denna galaktiska kannibalism förekommer konstant i hela universum idag, men det var oklart om tidiga galaxer slogs samman på ett liknande sätt.

"Tucana II kommer så småningom att ätas av Vintergatan, ingen nåd, " säger Frebel. "Och det visar sig att den här antika galaxen kan ha sin egen kannibalistiska historia."

Teamet planerar att använda sin metod för att observera andra ultrasvaga dvärggalaxer runt Vintergatan, i hopp om att upptäcka ännu äldre, längre bortskjutna stjärnor.

"Det finns förmodligen många fler system, kanske alla, som har dessa stjärnor blinkande i sina utkanter, " säger Frebel.