Med hjälp av Very Large Telescope och radioteleskopet ALMA i Chile har ett team av astronomer inklusive forskare från Niels Bohr Institute upptäckt en svärm av galaxer som kretsar kring omgivningen av en hyperljusande och kraftigt stjärnbildande galax i det tidiga universum. Observationen ger viktiga ledtrådar till hur exceptionellt ljusa galaxer växer, och till hur de utvecklas till energiska kvasarer, som strålar ljus över större delen av det observerbara universum.

En grundläggande fråga inom astronomi är frågan om hur galaxer bildas, växer och utvecklas.

Som en del av deras utveckling verkar de flesta galaxer främja ett supermassivt svart hål i deras centrum. Dessa gravitationsmonster sväljer då och då närliggande gas och stjärnor och spyr ut överskottsenergi som kraftfulla jetstrålar, ett fenomen som kallas en kvasar.

Från galax till kvasar

Många detaljer om övergången från "normala" galaxer till kvasarer är fortfarande okända. Men i en ny studie publicerad i Nature Communications , ett team av astronomer ledda av Michele Ginolfi vid ESO, Garching, kan ha kommit ett steg närmare att förstå denna utveckling.

"Innan de utvecklas till en fullskalig kvasar, tros vissa galaxer gå igenom en fas av att vara mycket dammiga och mycket "aktiva" när det gäller stjärnbildning och ansamling av gas till deras centrala, supermassiva svarta hål," förklarar Ginolfi. "Vi tänkte designa ett experiment för att lära oss mer om denna övergångsfas."

Ginolfi och hans medarbetare fokuserade på en redan känd galax, W0410-0913, en av de ljusaste, mest massiva och gasrika galaxerna i det avlägsna universum, sett 12 miljarder år tillbaka i tiden.

Dammet värms upp av energin från stjärnljuset och det centrala svarta hålet, vilket gör att det lyser och avslöjar galaxen genom sitt infraröda ljus. Detta har lett till att den här typen av galaxer kallas för heta damm-döljda galaxer (även kallade "hot DOGs").

Galaxer i 3D

Eftersom galaxernas utveckling är naturligt kopplad till deras omgivning, bestämde sig Ginolfi och hans team – vars kärna något atypiskt mestadels bestod av forskare i tidiga karriärer – att observera W0410-0913 med instrumentet "MUSE" vid Very Large Telescope (VLT) i Chile . Detta avancerade verktyg gjorde det möjligt för dem att studera ett område som är 40 gånger bredare än själva galaxen.

Peter Laursen från Cosmic Dawn Center i Köpenhamn deltog i studien. Han förklarar:"Observationerna avslöjade att W0410-0913 är omgiven av en svärm av inte mindre än 24 mindre galaxer. Det coola med MUSE-instrumentet är att vi kan mäta inte bara deras position på himlen, utan också deras avstånd längs vår siktlinje. Med andra ord kan vi mäta deras 3D-positioner."

Även om detta antyder att W0410-0913 bor i en region som är minst tio gånger tätare än det genomsnittliga universum, är detta inte helt oväntat, eftersom hot DOGs verkligen tros leva i täta miljöer.

En galaktisk bilolycka

Dessutom, medan W0410-0913 ses vid en tidpunkt då universum var 1/8 av sin nuvarande ålder, är det redan tio gånger så massivt som vår egen galax, Vintergatan. Att odla en så stor galax på så kort tid, och mata ett supermassivt svart hål, kräver en betydande tillgång på färskt material. Allt detta stämmer väl överens med den konventionella bilden att massiva galaxer växer genom att gas och satellitgalaxer samlas, attraherade från intergalaktiska rymden av sin enorma gravitation.

Faktum är att i en så tät miljö förväntas frekvensen av galaxinteraktioner och sammansmältning vara mycket hög. Utsatt för ett sådant bombardemang förväntade astronomerna att W0410-0913 skulle vara ett bilvrak av kaotiskt virvlande gasklumpar och stjärnor.

Men när Ginolfi och hans kollegor grävde i gamla observationer från ALMA-radioantennerna som ligger bara 300 km nordost om VLT, kunde Ginolfi och hans kollegor mäta gasens inre rörelse inuti W0410-0913.

Och här dök en helt annan bild upp.

Kasta småsten på en glasruta

Överraskande nog avslöjade ALMA-observationerna att W0410-0913 inte alls verkar ha störts av interaktioner med sällskapsgalaxer. Enligt observationerna roterar gasen fint och ordnat runt det centrala svarta hålet. Ordnat, men otroligt snabbt, med hastigheter som når 500 km/s.

"Tillsammans med resultaten från de två mycket olika teleskopen ser vi en bild av hur de mest massiva och dammiga galaxerna kan utvecklas. Denna typ av galaxer, ett viktigt steg i övergången från en dammig och stjärnbildande galax till en kvasar, tenderar att att växa i mycket täta miljöer, säger Ginolfi. "Icke desto mindre, trots den förväntade frekventa sammansmältningen med andra galaxer, är dessa gravitationsinteraktioner inte nödvändigtvis destruktiva - de matar den centrala galaxen och virvlar upp gasen lite, men lämnar den praktiskt taget intakt. Lite som att kasta små stenar mot en ruta av fast yta. glass:you may scratch it, but won't break it…"

Michele Ginolfi's observations offer first clues on the multi-scale process that drive the evolution of the rare and extreme population of hot dust-obscured galaxies. They grow in dense, special habitats, but the interaction with their companions can be gentle.

As a parable to this galactic car crash, the study came close to not being conducted at all, when Michele Ginolfi got stuck in a traffic jam in Rome's traffic, having to submit the proposal using his phone from his car, minutes before the deadline. + Utforska vidare

Supermassive black holes inside dying galaxies detected in early universe