De gigantiska galaxerna vi ser i universum idag, inklusive vår egen Vintergatans galax, började mycket mindre. Sammanslagningar under universums 13,7 miljarder år samlade gradvis dagens massiva galaxer. Men de kan ha börjat som bara stjärnhopar.
I ett försök att förstå de tidigaste galaxerna har JWST undersökt deras antika ljus efter ledtrådar om hur de blev så massiva.
JWST kan effektivt se tillbaka i tiden till när universum bara var cirka 5 % så gammalt som det är nu. I det avlägsna förflutna var strukturer som så småningom skulle bli lika massiva som Vintergatan, och ännu större, bara cirka 1/10 000:e så massiva som de är nu. Vilka ledtrådar kan det kraftfulla infraröda rymdteleskopet avslöja som visar oss hur galaxer blev så stora?
En ny uppsats presenterar JWST-observationer av en galax vid rödförskjutning z~8.3. Vid den rödförskjutningen har ljuset färdats i över 13 miljarder år och började sin resa endast 600 miljoner år efter Big Bang. Galaxen, kallad Firefly Sparkle, innehåller ett nätverk av massiva stjärnhopar som är bevis på hur galaxer växer.
Tidningen är "The Firefly Sparkle:The Earliest Stadium of Assembly of A Milky Way-type Galaxy in a 600 Myr Old Universe." Huvudförfattaren är Lamiya Mowla, en observationsastronom och biträdande professor i fysik och astronomi vid Wellesley College. Papperet finns i förtryck på arXiv och har ännu inte granskats av experter.
Trots JWST:s kraft är denna avlägsna, uråldriga galax endast synlig genom gravitationslinser av ett massivt kluster av förgrundsgalaxer. Linsen får Firefly Sparkle att framstå som en båge. Två andra galaxer finns också i närheten, kallade Firefly BF (Best Friend) och Firefly NBF (New Best Friend.)
"The Firefly Sparkle uppvisar de kännetecken som förväntas av en framtida galax av Vintergatan som fångats under dess tidigaste och mest gasrika bildningsstadium", skriver författarna. Den unga galaxens massa är koncentrerad i 10 kluster, som sträcker sig från cirka 200 000 solmassor till 630 000 solmassor. Enligt författarna går dessa kluster "gränsande över gränsen mellan galaxer med låg massa och klothopar med hög massa."
Dessa kluster är betydande eftersom de är ledtrådar till hur galaxen växer. Forskarna kunde mäta åldrarna på klustren och deras stjärnbildningshistoria. De upptäckte att de upplevde en explosion av stjärnbildning vid ungefär samma tidpunkt. "Stjärnhopens åldrar tyder på att de är gravitationsmässigt bundna till stjärnbildningshistorier som visar en nyligen genomförd stjärnexplosion som möjligen utlösts av interaktionen med en följeslagare galax vid samma rödförskjutning på ett projicerat avstånd av ~2 kpc från Firefly Sparkle."
Det finns två kandidater för den interagerande galaxen:Firefly Best Friend (BF) och Firefly New Best Friend (NBF). Men NBF är cirka 13 kpcs bort, medan BF är cirka två kpcs bort, vilket gör BF till den troliga interaktören. "Svaga ljusstyrkor med låg yta är synliga i hörnen av bågen nära grannen, vilket tyder på en möjlig interaktion mellan de två galaxerna [FS och BF] som kan ha utlöst en utbrott av stjärnbildning i dem båda", förklarar forskarna.
Forskarna ägnade särskild uppmärksamhet åt det centrala klustret. De fann att temperaturen är extremt hög vid cirka 40 000 Kelvin (40 000°C; 72 000°F.) Den har också en topptung initial massfunktion, en signal om att den bildades i en mycket metallfattig miljö. Dessa observationer och andra bevis visar att Firefly Sparkle mycket troligt är en stamfader till galaxer som vår. Av dessa skäl "... tillhandahåller Firefly Sparkle en aldrig tidigare skådad fallstudie av en Vintergatan-liknande galax i de tidigaste stadierna av dess montering i endast ett 600 miljoner år gammalt universum", skriver författarna.
Som tur är har forskarna bakom dessa resultat en kraftfull superdatorsimulering att jämföra observationer med. Den heter Illustris TNG. Det är en massiv kosmologisk magnetohydrodynamisk simulering baserad på en omfattande fysisk modell av universum. Illustris TNG har gjort tre körningar, kallade TNG50, TNG 100 och TNG 300. Forskarna jämförde sina resultat med TNG 50.
Att hitta dessa gamla stjärnhopar är spännande, men vi kan inte anta att de kommer att överleva intakta. Det finns tidvatten- och förångningskrafter som verkar. Författarna undersökte stabiliteten hos de enskilda stjärnhoparna och hur de kommer att klara sig över tiden.
"De flesta av dessa stjärnhopar förväntas överleva till dagens universum och kommer att expandera och sedan slitas isär för att bilda stjärnskivan och galaxens gloria", förklarar författarna. "Det enda sättet de överlever är att bli utslängda till stora avstånd, bort från galaxens täta tidvattenfält." De som blir utslängda kan kvarstå som klotformade kluster.
Ett av JWST:s primära vetenskapsmål är att studera hur galaxer bildades och utvecklades i det tidiga universum. Genom att hitta ett där kluster fortfarande bildas, når rymdteleskopet sitt mål.
"The Firefly Sparkle representerar en av JWST:s första spektrofotometriska observationer av en extremt linserad galax som samlas vid höga rödförskjutningar, med kluster som håller på att bildas istället för att ses vid senare epoker", avslutar författarna.
Mer information: Lamiya Mowla et al, The Firefly Sparkle:The Earliest Stadium of the Assembly of A Milky Way-type Galaxy in a 600 Myr Old Universe, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.08696
Tillhandahålls av Universe Today
