Bevis på at tidlige galakser kan være større og mer komplekse enn tidligere antatt

Forskere som bruker Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – et internasjonalt observatorium som samarbeides av US National Science Foundations National Radio Astronomy Observatory (NRAO) – har observert en betydelig mengde kald, nøytral gass i de ytre områdene til de unge. galaksen A1689-zD1, samt utstrømmer av varm gass som kommer fra galaksens sentrum. Disse resultatene kan kaste lys over et kritisk stadium av galaktisk evolusjon for tidlige galakser, der unge galakser begynner transformasjonen til å bli stadig mer lik deres senere, mer strukturerte kusiner. Observasjonene var presentert i dag på en pressekonferanse på det 240. møtet til American Astronomical Society (AAS) i Pasadena, California, og vil bli publisert i en kommende utgave av The Astrophysical Journal (ApJ).

A1689-zD1 – en ung, aktiv, stjernedannende galakse som er litt mindre lysende og mindre massiv enn Melkeveien – ligger omtrent 13 milliarder lysår unna Jorden i stjernebildet Jomfruen. Den ble oppdaget gjemt bak Abell 1689 galaksehopen i 2007 og bekreftet i 2015 takket være gravitasjonslinser, som forsterket lysstyrken til den unge galaksen med mer enn 9x. Siden den gang har forskere fortsatt å studere galaksen som en mulig analog for utviklingen av andre “normale” galakser. Denne etiketten – “normal” – er en viktig forskjell som har hjulpet forskere med å dele A1689-zD1s oppførsel og egenskaper i to bøtter: typiske og uvanlige, med de uvanlige egenskapene som etterligner de til senere og mer massive galakser.

“A1689-zD1 er lokalisert i det veldig tidlige universet – bare 700 millioner år etter Big Bang. Dette er epoken hvor galakser så vidt begynte å dannes,” sa Hollis Akins, en bachelorstudent i astronomi ved Grinnell College og hovedforfatteren av forskningen. “Det vi ser i disse nye observasjonene er bevis på prosesser som kan bidra til utviklingen av det vi kaller normale galakser i motsetning til massive galakser. Enda viktigere er at disse prosessene er de vi tidligere ikke trodde ble brukt på disse normale galaksene. ”

En av disse uvanlige prosessene er galaksens produksjon og distribusjon av stjernedannende drivstoff, og potensielt mye av det. Teamet brukte ALMAs svært følsomme Band 6-mottaker for å komme inn på en halo av karbongass som strekker seg langt utenfor sentrum av den unge galaksen. Dette kan være bevis på pågående stjernedannelse i samme region eller et resultat av strukturelle forstyrrelser, for eksempel sammenslåinger eller utstrømninger, i de tidligste stadiene av galaksens dannelse.

Ifølge Akins er dette uvanlig for tidlige galakser. “Kullgassen vi observerte i denne galaksen finnes vanligvis i de samme områdene som nøytral hydrogengass, som også er der nye stjerner har en tendens til å dannes. Hvis det er tilfellet med A1689-zD1, er galaksen sannsynligvis mye større enn tidligere antatt Det er også mulig at denne haloen er en rest av tidligere galaktisk aktivitet, som fusjoner som utøvde komplekse gravitasjonskrefter på galaksen som førte til at mye nøytral gass ble kastet ut til disse store avstandene. I begge tilfeller, den tidlige utviklingen av denne galaksen var sannsynligvis aktiv og dynamisk, og vi lærer at dette kan være et vanlig, men tidligere uobservert, tema i tidlig galaksedannelse.”

Mer enn bare uvanlig kan oppdagelsen ha betydelige implikasjoner for studiet av galaktisk evolusjon, spesielt ettersom radioobservasjoner avdekker detaljer usett ved optiske bølgelengder. Seiji Fujimoto, en postdoktor ved Niels Bohr Institutes Cosmic Dawn Center, og en medforfatter av forskningen sa: “Utslippet fra karbongassen i A1689-zD1 er mye mer utvidet enn det som ble observert med Hubble Space Telescope, og dette kan bety at tidlige galakser ikke er så små som de ser ut til. Hvis faktisk tidlige galakser er større enn vi tidligere trodde ville dette ha stor innvirkning på teorien om galaksedannelse og -evolusjon i det tidlige universet.”

Ledet av Akins observerte teamet også utstrømmer av varm, ionisert gass – ofte forårsaket av voldsom galaktisk aktivitet som supernovaer – som presset utover fra sentrum av galaksen. Det er mulig, gitt deres potensielt eksplosive natur, at utstrømningene har noe å gjøre med karbonhaloen. “Utstrømmer skjer som et resultat av voldsom aktivitet, som eksplosjonen av supernovaer – som sprenger nærliggende gassformig materiale ut av galaksen – eller sorte hull i sentrum av galakser – som har sterke magnetiske effekter som kan skyte ut materiale i kraftige jetfly. av dette er det en sterk mulighet for at de varme utstrømningene har noe å gjøre med tilstedeværelsen av den kalde karbonhaloen,” sa Akins. “Og det understreker ytterligere viktigheten av den flerfasede, eller varme til kalde, naturen til den utstrømmende gassen.”

Darach Watson, en førsteamanuensis ved Niels Bohr Institutes Cosmic Dawn Center, og medforfatter av den nye forskningen bekreftet A1689-zD1 som en høyrødforskyvningsgalakse i 2015, noe som gjør den til den mest fjerne støvete galaksen kjent. “Vi har sett denne typen utvidede gass-halo-utslipp fra galakser som ble dannet senere i universet, men å se den i en så tidlig galakse betyr at denne typen atferd er universell selv i de mer beskjedne galaksene som dannet de fleste stjernene i tidlig univers. Å forstå hvordan disse prosessene skjedde i en så ung galakse er avgjørende for å forstå hvordan stjernedannelse skjer i det tidlige universet.”

Kirsten Knudsen, professor i astrofysikk ved Institutt for rom, jord og miljø ved Chalmers teknologiske universitet, og medforfatter av forskningen fant bevis av A1689-zD1s støvkontinuum i 2017. Knudsen påpekte ekstremens serendipitiske rolle gravitasjonslinser i å gjøre hver ny oppdagelse i forskningen mulig. “Fordi A1689-zD1 er forstørret mer enn ni ganger, kan vi se kritiske detaljer som ellers er vanskelige å observere i vanlige observasjoner av slike fjerne galakser. Til syvende og sist, det vi ser her er det tidlige universet galakser er veldig komplekse, og denne galaksen vil fortsette å presentere nye forskningsutfordringer og resultater i en stund.”

Dr. Joe Pesce, NSF-programansvarlig for ALMA, la til: “Denne fascinerende ALMA-forskningen legger til en økende mengde resultater som indikerer at ting ikke er helt som vi forventet i tidlig universmen de er veldig interessante og spennende likevel.”

Spektroskopi og infrarøde observasjoner av A1689-zD1 er planlagt i januar 2023, ved bruk av NIRSpec Integral Field Unit (IFU) og NIRCam på James Webb-romteleskopet. De nye observasjonene vil utfylle tidligere HST- og ALMA-data, og tilby et dypere og mer komplett blikk på den unge galaksen med flere bølgelengder.

---

---