Astronomer åtnjuter för närvarande en fruktbar period av upptäckter och undersöker det tidiga universums många mysterier. Den framgångsrika uppskjutningen av rymdteleskopet James Webb (JWST), en efterträdare till NASA:s rymdteleskop Hubble, har flyttat gränsen för vad vi kan se.
Observationer går nu in i de första 500 miljoner åren efter Big Bang när universum var mindre än 5% av sin nuvarande ålder. För människor skulle den här gången placera universum stadigt i småbarnsstadiet.
Ändå är galaxerna vi observerar verkligen inte infantila, med nya observationer som avslöjar galaxer som är mer massiva och mogna än vad som tidigare förväntats för så tidiga tider, vilket hjälper till att skriva om vår förståelse av galaxbildning och evolution.
Vårt internationella forskarlag gjorde nyligen oöverträffat detaljerade observationer av en av de tidigaste kända galaxerna – kallad Gz9p3, och nu publicerad i Nature Astronomy .
Dess namn kommer från Glass-samarbetet (namnet på vårt internationella forskarlag) och det faktum att galaxen har en rödförskjutning på z=9,3 där rödförskjutning är ett sätt att beskriva avståndet till ett objekt – därav G och z9p3.
För bara ett par år sedan dök Gz9p3 upp som en enda ljuspunkt genom rymdteleskopet Hubble. Men genom att använda rymdteleskopet James Webb kunde vi observera detta objekt som det var 510 miljoner år efter Big Bang, för cirka 13 miljarder år sedan.
Vi fann att Gz9p3 var mycket mer massiv och mogen än förväntat för ett så ungt universum, som redan innehåller flera miljarder stjärnor.
Det överlägset mest massiva objektet som bekräftats från denna tid, det beräknades vara 10 gånger mer massivt än någon annan galax som hittats så tidigt i universum.
Tillsammans tyder dessa resultat på att för att galaxen ska nå denna storlek måste stjärnor ha utvecklats mycket snabbare och mer effektivt än vi först trodde.
Den mest avlägsna galaxsammanslagningen i det tidiga universum
Denna Gz9p3 är inte bara massiv, utan dess komplexa form identifierar den omedelbart som en av de tidigaste galaxsammanslagningarna som någonsin bevittnats.
JWST-avbildningen av galaxen visar en morfologi som vanligtvis förknippas med två interagerande galaxer. Och sammanslagningen har inte avslutats eftersom vi fortfarande ser två komponenter.
När två massiva föremål förenas så här, kastar de effektivt bort en del av ämnet i processen. Så detta kasserade ämne tyder på att det vi observerade är en av de mest avlägsna sammanslagningar som någonsin setts.
Därefter tittade vår studie djupare för att beskriva populationen av stjärnor som utgör de sammanslagna galaxerna. Med JWST kunde vi undersöka galaxens spektrum och dela upp ljuset på samma sätt som ett prisma delar vitt ljus till en regnbåge.
När man använder enbart avbildning visar de flesta studier av dessa mycket avlägsna objekt endast mycket unga stjärnor eftersom de yngre stjärnorna är ljusare och så deras ljus dominerar bilddata.
Till exempel överglänser en ung ljus befolkning som utlösts av galaxsammanslagningen, mindre än några miljoner år gammal, en äldre befolkning som redan är över 100 miljoner år gammal.
Med hjälp av spektroskopitekniken kan vi producera så detaljerade observationer att de två populationerna kan särskiljas.
Nya modeller av det tidiga universum
En sådan mogen äldre befolkning förväntades inte med tanke på hur tidiga stjärnor skulle ha bildats för att ha åldrats tillräckligt vid denna kosmiska tid. Spektroskopin är så detaljerad att vi kan se de subtila egenskaperna hos de gamla stjärnorna som säger att det finns mer där än du tror.
Specifika element som upptäcks i spektrumet (inklusive kisel, kol och järn) visar att denna äldre befolkning måste existera för att berika galaxen med ett överflöd av kemikalier.
Det är inte bara storleken på galaxerna som är överraskande utan också hastigheten med vilken de växte till ett så kemiskt moget tillstånd.
Dessa observationer ger bevis på en snabb, effektiv uppbyggnad av stjärnor och metaller i omedelbar efterdyning av Big Bang, kopplat till pågående galaxsammanslagningar, vilket visar att massiva galaxer med flera miljarder stjärnor existerade tidigare än väntat.
Isolerade galaxer bygger upp sin population av stjärnor in situ från sina ändliga gasreservoarer, men detta kan vara ett långsamt sätt för galaxer att växa.
Interaktioner mellan galaxer kan dra in färska inflöden av orörd gas, vilket ger bränsle för snabb stjärnbildning, och sammanslagningar ger en ännu mer accelererad kanal för massackumulering och tillväxt.
De största galaxerna i vårt moderna universum har alla en historia av sammanslagningar, inklusive vår egen Vintergatan som har vuxit till sin nuvarande storlek genom successiva sammanslagningar med mindre galaxer.
Dessa observationer av Gz9p3 visar att galaxer kunde ackumulera massa snabbt i det tidiga universum genom sammanslagningar, med stjärnbildningseffektivitet högre än vi förväntade oss.
Denna och andra observationer som använder JWST får astrofysiker att justera sin modellering av universums tidiga år.
Vår kosmologi är inte nödvändigtvis fel, men vår förståelse av hur snabbt galaxer bildades är förmodligen, eftersom de är mer massiva än vi någonsin trodde kunde vara möjliga.
Dessa nya resultat är vältajmade när vi närmar oss tvåårsgränsen för vetenskapliga observationer gjorda med JWST.
När det totala antalet observerade galaxer växer, övergår astronomer som studerar det tidiga universum från upptäcktsfasen till en period då vi har tillräckligt stora prover för att börja bygga och förfina nya modeller.
Det har aldrig funnits en mer spännande tid att förstå mysterierna i det tidiga universum.
Mer information: Kristan Boyett et al, En massiv interagerande galax 510 miljoner år efter Big Bang, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02218-7
Tillhandahålls av University of Melbourne
