Obecne teorie powstawania galaktyk opierają się na hierarchicznym łączeniu mniejszych bytów w coraz większe struktury, zaczynając od wielkości gwiezdnej gromady kulistej, a kończąc na gromadach galaktyk. Zgodnie z tym scenariuszem zakłada się, że w młodym wszechświecie nie istniały żadne ogromne galaktyki.
Jednak ten pogląd może teraz wymagać zmiany. Korzystając z wielomodowego instrumentu FORS2 w Very Large Telescope w Paranal, zespół włoskich astronomów zidentyfikował cztery odległe galaktyki, kilkakrotnie masywniejsze niż galaktyka Drogi Mlecznej lub tak masywne jak najcięższe galaktyki we współczesnym wszechświecie. Galaktyki musiały powstać, gdy Wszechświat miał zaledwie około 2000 milionów lat, czyli około 12 000 milionów lat temu.
Nowo odkryte obiekty mogą należeć do populacji starych, masywnych galaktyk, które dotychczas nie były wykrywane.
Istnienie takich układów pokazuje, że gromadzenie się masywnych galaktyk eliptycznych było we wczesnym wszechświecie znacznie szybsze niż oczekiwano na podstawie obecnej teorii.
Scalanie hierarchiczne
Galaktyki są jak wyspy we Wszechświecie, zbudowane z gwiazd oraz chmur pyłu i gazu. Występują w różnych rozmiarach i kształtach. Astronomowie zasadniczo rozróżniają galaktyki spiralne - takie jak nasza Droga Mleczna, NGC 1232 lub słynna galaktyka Andromeda - od galaktyk eliptycznych, które w większości zawierają stare gwiazdy i mają bardzo mało pyłu lub gazu. Niektóre galaktyki są pośrednie między spiralami i eliptycznymi i są nazywane galaktykami soczewkowymi lub sferoidalnymi.
Galaktyki mają nie tylko odrębny kształt, ale także różnią się wielkością: niektóre mogą być tak „lekkie” jak gwiezdna gromada kulista w naszej Drodze Mlecznej (tj. Zawierają około równowartość kilku milionów Słońc), podczas gdy inne mogą być bardziej masywne niż milion milionów słońc. Obecnie ponad połowa gwiazd we Wszechświecie znajduje się w masywnych sferoidalnych galaktykach.
Jednym z głównych otwartych pytań współczesnej astrofizyki i kosmologii jest to, w jaki sposób i kiedy galaktyki powstają i ewoluują, zaczynając od pierwotnego gazu wypełniającego wczesny Wszechświat. W najpopularniejszej obecnie teorii, galaktyki we wszechświecie lokalnym są wynikiem stosunkowo wolnego procesu, w którym małe i mniej masywne galaktyki łączą się, aby stopniowo tworzyć większe i bardziej masywne galaktyki. W tym scenariuszu, nazwanym „scalaniem hierarchicznym”, młody Wszechświat został zaludniony przez małe galaktyki o małej masie, podczas gdy obecny wszechświat zawiera duże, stare i masywne galaktyki - ostatnie, które powstały w końcowym etapie powolnego procesu składania.
Gdyby ten scenariusz był prawdziwy, nie byłoby możliwe znalezienie masywnych galaktyk eliptycznych w młodym wszechświecie. Innymi słowy, ze względu na skończoną prędkość światła, nie powinno być takich masywnych galaktyk bardzo daleko od nas. I rzeczywiście, do tej pory żadna stara galaktyka eliptyczna nie była znana poza galaktyką radiową przy przesunięciu ku czerwieni 1.55, które odkryto prawie dziesięć lat temu.
Ankieta K20
Aby lepiej zrozumieć proces formowania się galaktyk i zweryfikować, czy hierarchiczny scenariusz scalania jest prawidłowy, zespół włoskich i astronomów ESO wykorzystał Bardzo Duży Teleskop ESO jako „maszynę czasu” do poszukiwania bardzo odległych galaktyk eliptycznych. Nie jest to jednak trywialne. Odległe galaktyki eliptyczne, z zawartością starych i czerwonych gwiazd, muszą być bardzo słabymi obiektami o długościach fal optycznych, ponieważ większość ich światła jest przesunięta na czerwono do części widma w podczerwieni. Odległe galaktyki eliptyczne są zatem jednymi z najtrudniejszych celów obserwacyjnych nawet dla największych teleskopów; właśnie dlatego rekord przesunięcia ku czerwieni o 1,55 tak długo istnieje.
Ale to wyzwanie nie powstrzymało badaczy. Uzyskali głęboką spektroskopię optyczną za pomocą wielomodowego instrumentu FORS2 na VLT dla próbki 546 słabych obiektów znalezionych na niebie o powierzchni 52 arcmin2 (lub około jednej dziesiątej obszaru Księżyca w pełni) znanego jako pole K20, oraz który częściowo pokrywa się z obszarem GOODS-South. Ich wytrwałość się opłaciła i zostali nagrodzeni odkryciem czterech starych, masywnych galaktyk z przesunięciami ku czerwieni między 1,6 a 1,9. Galaktyki te obserwuje się, gdy Wszechświat miał zaledwie około 25% swojego obecnego wieku 13 700 milionów lat.
W przypadku jednej z galaktyk zespół K20 skorzystał również z bazy danych publicznie dostępnych widm w obszarze GOODS-South, wykonanej przez zespół ESO / GOODS.
Nowa populacja galaktyk
Nowo odkryte galaktyki są zatem widoczne, gdy Wszechświat miał około 3500 milionów lat, tj. 10 000 milionów lat temu. Ale z pobranych widm wynika, że galaktyki te zawierają gwiazdy w wieku od 1000 do 2000 milionów lat. Oznacza to, że galaktyki musiały odpowiednio się uformować wcześniej i że zasadniczo zakończyły one swój montaż w momencie, gdy Wszechświat miał zaledwie 1500 do 2500 milionów lat.
Galaktyki wydają się mieć masy przekraczające sto tysięcy milionów mas Słońca, a zatem mają rozmiary podobne do najbardziej masywnych galaktyk we współczesnym Wszechświecie. Obrazy uzupełniające wykonane w ramach badania GOODS („The Great Observatories Origins Deep Survey”) przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a pokazują, że galaktyki te mają struktury i kształty mniej więcej identyczne z dzisiejszymi masywnymi galaktykami eliptycznymi.
Nowe obserwacje ujawniły zatem nową populację bardzo starych i masywnych galaktyk.
Istnienie tak masywnych i starych sferoidalnych galaktyk we wczesnym Wszechświecie pokazuje, że montaż dzisiejszych masywnych galaktyk eliptycznych rozpoczął się znacznie wcześniej i był znacznie szybszy niż przewidywała hierarchiczna teoria scalania. Mówi Andrea Cimatti (INAF, Firenze, Włochy), lider zespołu: „Nasze nowe badanie stawia teraz podstawowe pytania dotyczące naszego zrozumienia i wiedzy o procesach, które regulowały genezę i historię ewolucji Wszechświata i jego struktur”.
Oryginalne źródło: ESO News Release
