Med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), astronomer hittade en roterande babygalax som var 1/100 av Vintergatans storlek vid en tidpunkt då universum bara var 7 procent av sin nuvarande ålder. Tack vare hjälp av gravitationslinseffekten, teamet kunde för första gången utforska naturen hos små och mörka "normala galaxer" i det tidiga universum, representant för huvudpopulationen i de första galaxerna, vilket avsevärt främjar vår förståelse av den inledande fasen av galaxens evolution.

"Många av galaxerna som fanns i det tidiga universum var så små att deras ljusstyrka ligger långt under gränsen för de nuvarande största teleskopen på jorden och i rymden, gör det svårt att studera deras egenskaper och inre struktur, säger Nicolas Laporte, en Kavli Senior Fellow vid University of Cambridge. "Dock, ljuset som kommer från galaxen RXCJ0600-z6, förstorades kraftigt av gravitationslinser, vilket gör det till ett idealiskt mål för att studera egenskaperna och strukturen hos en typisk babygalax."

Gravitationslinsning är ett naturligt fenomen där ljus som sänds ut från ett avlägset objekt böjs av gravitationen hos en massiv kropp som en galax eller en galaxhop i förgrunden. Namnet "gravitationslinsning" kommer från det faktum att det massiva föremålets gravitation fungerar som en lins. När vi tittar genom en gravitationslins, ljuset från avlägsna föremål intensifieras och deras former sträcks ut. Med andra ord, det är ett "naturligt teleskop" som svävar i rymden.

ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS)-teamet använde ALMA för att söka efter ett stort antal galaxer i det tidiga universum som förstoras av gravitationslinser. Genom att kombinera kraften i ALMA, med hjälp av de naturliga teleskopen, forskarna kan avslöja och studera svagare galaxer.

Varför är det avgörande att utforska de svagaste galaxerna i det tidiga universum? Teori och simuleringar förutspår att majoriteten av galaxer som bildades några hundra miljoner år efter Big Bang är små, och därmed svimma. Även om flera galaxer i det tidiga universum tidigare har observerats, de studerade var begränsade till de mest massiva föremålen, och därför de mindre representativa galaxerna i det tidiga universum, på grund av teleskopets kapacitet. Det enda sättet att förstå standardbildningen av de första galaxerna, och få en komplett bild av galaxbildningen, är att fokusera på de svagare och fler galaxer.

ALCS-teamet utförde ett storskaligt observationsprogram som tog 95 timmar, vilket är mycket lång tid för ALMA-observationer, att observera de centrala områdena i 33 galaxhopar som kan orsaka gravitationslinser. Ett av dessa kluster, kallas RXCJ0600-2007, ligger i riktning mot konstellationen Lepus, och har en massa som är 1000 biljoner gånger solens. Teamet upptäckte en enda avlägsen galax som påverkas av gravitationslinsen som skapats av detta naturliga teleskop. ALMA upptäckte ljuset från koljoner och stjärndamm i galaxen, och tillsammans med data tagna med Gemini-teleskopet, fastställt att galaxen ses som den var cirka 900 miljoner år efter Big Bang (12,9 miljarder år sedan). Ytterligare analys av dessa data antydde att en del av denna källa ses 160 gånger ljusare än den är i sig.

Genom att exakt mäta massfördelningen av galaxhopen, det är möjligt att "ångra" gravitationslinseffekten och återställa det förstorade objektets ursprungliga utseende. Genom att kombinera data från Hubble Space Telescope och European Southern Observatory's Very Large Telescope med en teoretisk modell, teamet lyckades rekonstruera den faktiska formen på den avlägsna galaxen RXCJ0600-z6. Den totala massan för denna galax är cirka 2 till 3 miljarder gånger solens, vilket är ungefär 1/100 av storleken på vår egen Vintergatans galax.

Det som förvånade laget är att RXCJ0600-z6 roterar. Traditionellt, gas i de unga galaxerna ansågs ha slumpmässiga, kaotisk rörelse. Först nyligen har ALMA upptäckt flera roterande unga galaxer som har utmanat det traditionella teoretiska ramverket, men dessa var flera storleksordningar ljusare (större) än RXCJ0600-z6.

"Vår studie visar, för första gången, att vi direkt kan mäta den inre rörelsen hos sådana svaga (mindre massiva) galaxer i det tidiga universum och jämföra den med de teoretiska förutsägelserna", säger Kotaro Kohno, en professor vid University of Tokyo och ledaren för ALCS-teamet.

"Det faktum att RXCJ0600-z6 har en mycket hög förstoringsfaktor höjer också förväntningarna på framtida forskning, " förklarar Seiji Fujimoto, en DAWN-stipendiat vid Niels Bohr Institutet. "Den här galaxen har valts ut, bland hundratals, ska observeras av James Webb Space Telescope (JWST), nästa generations rymdteleskop som skjuts upp i höst. Genom gemensamma observationer med ALMA och JWST, vi kommer att avslöja egenskaperna hos gas och stjärnor i en babygalax och dess inre rörelser. När det trettio meter teleskopet och det extremt stora teleskopet är färdiga, de kanske kan upptäcka hopar av stjärnor i galaxen, och möjligen till och med lösa enskilda stjärnor. Det finns ett exempel på gravitationslinser som har använts för att observera en enda stjärna 9,5 miljarder ljusår bort, och den här forskningen har potential att utöka detta till mindre än en miljard år efter universums födelse."

Dessa observationsresultat presenterades i Seiji Fujimoto et al. "ALMA Lensing Cluster Survey:Ljusa [CII] 158 μm linjer från en Multiplicerad Sub-L* Galaxy vid z =6,0719" i Astrofysisk tidskrift den 22 april, 2021, och Nicolas Laporte et al. "ALMA Lensing Cluster Survey:ett kraftigt linsat dammigt system med flera bilder vid z> 6" i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society den 22 april, 2021.