Tidiga massiva galaxer – de som bildades under 3 miljarder år efter Big Bang – borde ha innehållit stora mängder kall vätgas, bränslet som krävs för att göra stjärnor. Men forskare som observerade det tidiga universum med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) och Hubble Space Telescope har upptäckt något konstigt:ett halvdussin tidiga massiva galaxer som fick slut på bränsle. Resultaten av forskningen publiceras idag i Natur .

Kända som "släckta" galaxer - eller galaxer som har stängt stjärnbildningen - de sex högrödförskjutna galaxerna som valdes ut för observation från REQUIEM-undersökningen är oförenliga med vad astronomer förväntar sig av det tidiga universum.

"De mest massiva galaxerna i universum levde snabbt och rasande, skapa sina stjärnor på anmärkningsvärt kort tid. Gas, bränslet för stjärnbildning, borde finnas gott om vid dessa tidiga tider i universum, sa Kate Whitaker, huvudförfattare på studien, och biträdande professor i astronomi vid University of Massachusetts, Amherst. "Vi trodde ursprungligen att dessa släckta galaxer slog i bromsen bara några miljarder år efter Big Bang. I vår nya forskning, vi har kommit fram till att tidiga galaxer faktiskt inte bromsade, men hellre, de körde på tomma."

För att bättre förstå hur galaxerna bildades och dog, teamet observerade dem med Hubble, som avslöjade detaljer om stjärnorna som finns i galaxerna. Samtidiga observationer med ALMA avslöjade galaxernas kontinuumemission - ett spår av damm - vid millimetervåglängder, vilket gör att teamet kan sluta sig till mängden gas i galaxerna. Användningen av de två teleskopen är genom noggrann design, eftersom syftet med REQUIEM är att använda stark gravitationslins som ett naturligt teleskop för att observera vilande galaxer med högre rumslig upplösning. Detta, i tur och ordning, ger forskare en tydlig bild av galaxernas interna händelser, en uppgift som ofta är omöjlig med de som körs på tomma.

"Om en galax inte skapar många nya stjärnor blir den väldigt svag väldigt snabbt så det är svårt eller omöjligt att observera dem i detalj med ett individuellt teleskop. REQUIEM löser detta genom att studera galaxer som är gravitationslinsade, vilket betyder att deras ljus sträcks ut och förstoras när det böjer sig och snedvrider sig runt andra galaxer mycket närmare Vintergatan, sa Justin Spilker, en medförfattare på den nya studien, och en NASA Hubble-postdoktor vid University of Texas i Austin. "På det här sättet, gravitationslinser, kombinerat med upplösningskraften och känsligheten hos Hubble och ALMA, fungerar som ett naturligt teleskop och får dessa döende galaxer att verka större och ljusare än de är i verkligheten, så att vi kan se vad som händer och vad som inte är det."

De nya observationerna visade att upphörandet av stjärnbildningen i de sex målgalaxerna inte orsakades av en plötslig ineffektivitet i omvandlingen av kall gas till stjärnor. Istället, det var resultatet av utarmningen eller avlägsnandet av gasreservoarerna i galaxerna. "Vi förstår ännu inte varför detta händer, men möjliga förklaringar kan vara att antingen den primära gastillförseln som driver galaxen är avstängd, eller kanske ett supermassivt svart hål injicerar energi som håller gasen i galaxen varm, sa Christina Williams, en astronom vid University of Arizona och medförfattare till forskningen. "Väsentligen, detta betyder att galaxerna inte kan fylla på bränsletanken, och sålunda, kan inte starta om motorn på stjärnproduktion."

Studien representerar också ett antal viktiga nyheter i mätningen av tidiga massiva galaxer, syntetisera information som kommer att vägleda framtida studier av det tidiga universum i många år framöver. "Detta är de första mätningarna av det kalla stoftkontinuumet av avlägsna vilande galaxer, och faktiskt, de första mätningarna av detta slag utanför lokaluniversum, sa Whitaker, och tillägger att den nya studien har gjort det möjligt för forskare att se hur mycket gas enskilda döda galaxer har. "Vi kunde undersöka bränslet från stjärnbildning i dessa tidiga massiva galaxer djupt nog att ta de första mätningarna av gastankens avläsning, ger oss en kritiskt saknad synpunkt på egenskaperna för kall gas hos dessa galaxer."

Även om teamet nu vet att dessa galaxer är tomma och att något hindrar dem från att fylla på tanken och från att bilda nya stjärnor, studien representerar bara den första i en serie av undersökningar om vad som fick tidiga massiva galaxer att gå, eller inte. "Vi har fortfarande så mycket att lära oss om varför de mest massiva galaxerna bildades så tidigt i universum och varför de stängde av sin stjärnbildning när så mycket kall gas var lätt tillgänglig för dem, " sa Whitaker. "Bara det faktum att dessa enorma djur i kosmos bildade 100 miljarder stjärnor inom ungefär en miljard år och sedan plötsligt stängde av sin stjärnbildning är ett mysterium som vi alla skulle älska att lösa, och REQUIEM har gett den första ledtråden."