Forskare som använder Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – ett internationellt observatorium som samarbetas av U.S. National Science Foundations National Radio Astronomy Observatory (NRAO) – har observerat en betydande mängd kall, neutral gas i de yttre delarna av de unga. galaxen A1689-zD1, såväl som utflöden av het gas som kommer från galaxens centrum. Dessa resultat kan kasta ljus över ett kritiskt skede av galaktisk evolution för tidiga galaxer, där unga galaxer börjar omvandlingen för att bli allt mer lik deras senare, mer strukturerade kusiner. Observationerna presenterades idag på en presskonferens vid det 240:e mötet för American Astronomical Society (AAS) i Pasadena, Kalifornien, och kommer att publiceras i en kommande utgåva av The Astrophysical Journal (ApJ).

A1689-zD1 – en ung, aktiv, stjärnbildande galax som är något mindre lysande och mindre massiv än Vintergatan – ligger ungefär 13 miljarder ljusår från jorden i stjärnklustret Jungfrun. Den upptäcktes gömd bakom galaxhopen Abell 1689 2007 och bekräftades 2015 tack vare gravitationslinser, som förstärkte ljusstyrkan hos den unga galaxen med mer än 9x. Sedan dess har forskare fortsatt att studera galaxen som en möjlig analog för utvecklingen av andra "normala" galaxer. Den etiketten - "normal" - är en viktig distinktion som har hjälpt forskare att dela upp A1689-zD1:s beteenden och egenskaper i två hinkar:typiska och ovanliga, med de ovanliga egenskaperna som efterliknar de hos senare och mer massiva galaxer.

"A1689-zD1 ligger i det mycket tidiga universum - bara 700 miljoner år efter Big Bang. Det här är eran där galaxer precis började bildas", säger Hollis Akins, en student i astronomi vid Grinnell College och huvudförfattare. av forskningen. "Det vi ser i dessa nya observationer är bevis på processer som kan bidra till utvecklingen av vad vi kallar normala galaxer i motsats till massiva galaxer. Ännu viktigare är att dessa processer är sådana som vi tidigare inte trodde tillämpade på dessa normala galaxer. "

En av dessa ovanliga processer är galaxens produktion och distribution av stjärnbildande bränsle, och potentiellt mycket av det. Teamet använde ALMA:s mycket känsliga Band 6-mottagare för att komma in i en gloria av kolgas som sträcker sig långt bortom centrum av den unga galaxen. Detta kan vara bevis på pågående stjärnbildning i samma region eller resultatet av strukturella störningar, såsom sammanslagningar eller utflöden, i de tidigaste stadierna av galaxens bildande.

Enligt Akins är detta ovanligt för tidiga galaxer. "Kolgasen vi observerade i den här galaxen finns vanligtvis i samma regioner som neutral vätgas, vilket också är där nya stjärnor tenderar att bildas. Om så är fallet med A1689-zD1 är galaxen sannolikt mycket större än man tidigare trott. Det är också möjligt att denna halo är en kvarleva av tidigare galaktisk aktivitet, som sammanslagningar som utövade komplexa gravitationskrafter på galaxen som ledde till att mycket neutral gas kastades ut till dessa stora avstånd. I båda fallen, den tidiga utvecklingen av denna galaxen var sannolikt aktiv och dynamisk, och vi lär oss att detta kan vara ett vanligt, även om det tidigare inte observerats, tema i tidig galaxbildning."

Mer än bara ovanligt kan upptäckten ha betydande konsekvenser för studiet av galaktisk evolution, särskilt eftersom radioobservationer avslöjar detaljer osedda vid optiska våglängder. Seiji Fujimoto, en postdoktor vid Niels Bohr Institutes Cosmic Dawn Center, och en medförfattare till forskningen sa:"Utsläppet från kolgasen i A1689-zD1 är mycket mer omfattande än vad som observerades med Hubble Space Telescope, och detta kan betyda att tidiga galaxer inte är så små som de ser ut. Om de tidiga galaxerna i själva verket är större än vi tidigare trodde skulle detta ha en stor inverkan på teorin om galaxbildning och evolution i det tidiga universum."

Under ledning av Akins observerade teamet också utflöden av het, joniserad gas - vanligtvis orsakad av våldsam galaktisk aktivitet som supernovor - som tryckte utåt från galaxens mitt. Det är möjligt, med tanke på deras potentiellt explosiva natur, att utflödena har något att göra med kolhalogen. "Utflöden uppstår som ett resultat av våldsam aktivitet, såsom explosionen av supernovor – som spränger närliggande gasformigt material ut ur galaxen – eller svarta hål i galaxernas centrum – som har starka magnetiska effekter som kan skjuta ut material i kraftfulla jetstrålar. av detta finns det en stor möjlighet att de varma utflödena har något att göra med närvaron av den kalla kolhalon, säger Akins. "Och det understryker ytterligare vikten av den utströmmande gasens flerfasiga, eller varma till kalla, natur."

Darach Watson, docent vid Niels Bohr Institutes Cosmic Dawn Center, och medförfattare till den nya forskningen bekräftade A1689-zD1 som en galax med hög rödförskjutning 2015, vilket gör den till den mest avlägsna dammiga galaxen som är känd. "Vi har sett den här typen av utökad gashalo-emission från galaxer som bildades senare i universum, men att se den i en så tidig galax betyder att den här typen av beteende är universell även i de mer blygsamma galaxerna som bildade de flesta stjärnorna i tidigt universum. Att förstå hur dessa processer inträffade i en så ung galax är avgörande för att förstå hur stjärnbildning sker i det tidiga universum."

Kirsten Knudsen, professor i astrofysik vid institutionen för rymd, jord och miljö vid Chalmers tekniska högskola, och medförfattare till forskningen fann bevis för A1689-zD1:s dammkontinuum 2017. Knudsen påpekade den överlägsna rollen av extrem gravitation att göra varje ny upptäckt i forskningen möjlig. "Eftersom A1689-zD1 förstoras mer än nio gånger kan vi se kritiska detaljer som annars är svåra att observera i vanliga observationer av sådana avlägsna galaxer. I slutändan, vad vi ser här är att tidiga universumgalaxer är mycket komplexa, och detta galaxen kommer att fortsätta att presentera nya forskningsutmaningar och resultat under en tid."

Dr. Joe Pesce, NSF-programansvarig för ALMA, tillade:"Denna fascinerande ALMA-forskning bidrar till en växande mängd resultat som indikerar att saker och ting inte riktigt är som vi förväntade oss i det tidiga universum, men de är verkligen intressanta och spännande ändå."

Spektroskopi och infraröda observationer av A1689-zD1 planeras till januari 2023, med hjälp av NIRSpec Integral Field Unit (IFU) och NIRCam på rymdteleskopet James Webb. De nya observationerna kommer att komplettera tidigare HST- och ALMA-data, och erbjuda en djupare och mer komplett titt på den unga galaxen med flera våglängder. + Utforska vidare

Supermassiva svarta hål inuti döende galaxer som upptäckts i det tidiga universum