Et internationalt forskerhold har ved hjælp af Large Binocular Telescope i Arizona opdaget en fjern galakse ved navn KiDS J0842+0059, som er forblevet uændret i milliarder af år, som et kosmisk fossil.
En galakse, der har været uændret i 7 milliarder år – en sjældenhed i universet – er blevet observeret af astronomer, hvilket giver et glimt af den kosmiske historie og føjer sig til en gådefuld samling af objekter, der kaldes relikvier eller ‘fossile galakser’.
Disse mærkværdigheder i rummet er galakser, som efter en indledende fase med intens stjernedannelse undslipper deres forventede udviklingsvej. Mens andre galakser udvider sig og smelter sammen med hinanden, forbliver de fossile galakser stort set inaktive. Som himmelske tidskapsler giver de et øjebliksbillede af det gamle univers og giver astronomerne mulighed for at undersøge mekanismen bag galaksedannelsen.
Den nyopdagede fossile galakse – med navnet KiDS J0842+0059 – ligger ca. 3 milliarder lysår fra Jorden, hvilket gør den til både den fjerneste og den første af sin slags, der er observeret uden for lokaluniverset, det område af rummet, der ligger tættest på Jorden, og som har en radius på ca. 1 milliard lysår. Den blev fundet af et hold astronomer under ledelse af Italian National Institute for Astrophysics (INAF) ved hjælp af højopløsningsbilleder fra Large Binocular Telescope i Arizona.
“Relikviegalakser smeltede tilfældigvis ikke sammen med andre galakser, men forblev mere eller mindre intakte gennem tiden,” siger Crescenzo Tortora, forsker ved INAF og førsteforfatter til en undersøgelse af fundet, som blev offentliggjort den 31. maj i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Disse objekter er meget sjældne, fordi sandsynligheden for at smelte sammen med en anden galakse stiger naturligt, efterhånden som tiden går.
Meget kompakt, meget massiv
Astronomerne mener, at de mest massive galakser dannes i to faser, siger Chiara Spiniello, som er medforfatter på undersøgelsen og forsker ved University of Oxford i Storbritannien.
“Først er der et tidligt udbrud af stjernedannelse, en meget hurtig og voldsom aktivitet,” siger hun.
Vi ender med at have noget meget kompakt og lille, stamfaderen til dette relikvie.
Den anden fase, tilføjede hun, er en langvarig proces, hvor galakser, der ligger tæt på hinanden, begynder at interagere, smelte sammen og æde hinanden, hvilket forårsager en meget dramatisk ændring i deres former, størrelser og stjernepopulationer. “Vi definerer et relikvie som et objekt, der næsten helt er gået glip af denne anden fase, idet det har dannet mindst 75 % af sin masse i den første fase,” forklarer Spiniello.
Det, der kendetegner fossile galakser, er, at de er meget gamle, kompakte og tætte, meget mere end vores egen galakse.
“De indeholder (milliarder) af stjerner, der er lige så massive som solen, og de danner ikke nye stjerner – de gør stort set ingenting, og de er de fossile optegnelser over det meget gamle univers,” sagde hun.
De blev dannet, da universet var meget, meget ungt. Og af nogle grunde, som vi helt ærligt ikke forstår endnu, interagerede de ikke. De smeltede ikke sammen med andre systemer. De udviklede sig uforstyrret, og de forblev, som de var.
Fossile galakser er afgørende, fordi de er et direkte link til den massive galaksepopulation, der eksisterede for milliarder af år siden, siger Michele Cappellari, professor i astrofysik ved University of Oxford, som ikke var involveret i undersøgelsen.
Som ‘levende fossiler’ har de undgået de kaotiske fusioner og den vækst, som de fleste andre massive galakser har oplevet. Ved at studere dem kan vi rekonstruere forholdene i universet i dets barndom og forstå de første udbrud af stjernedannelse.
Hvad der fik disse galakser til at holde op med at danne stjerner så pludseligt, er et stort spørgsmål, tilføjer han. “Beviser fra både lokale og (fjerne) observationer tyder på, at feedback fra supermassive sorte huller kan være ansvarlig,” siger Cappellari.
Disse sorte huller kan producere kraftige vinde, der uddriver eller opvarmer gassen i en galakse og forhindrer yderligere stjernedannelse. Det er dog stadig et aktivt forskningsområde.
En usikker fremtid
Forskerne identificerede oprindeligt KiDS J0842+0059 i 2018 ved hjælp af VLT Survey Telescope (VST) på Paranal-observatoriet i Chile. Denne observation afslørede, at galaksen var befolket af meget gamle stjerner, men gav kun et skøn over dens masse og størrelse, så der var brug for en mere detaljeret observation for at bekræfte, at den var et levn. Det store kikkertteleskop, der blev brugt til denne bekræftelse, kan gengive meget skarpe billeder på grund af dets evne til at kompensere for atmosfærisk turbulens, som ellers kan gøre det vanskeligt for jordbaserede teleskoper at fokusere på fjerne objekter.
Den nyfundne fossile galakse slutter sig til en gruppe på kun en håndfuld andre, der er blevet observeret med samme detaljeringsgrad, hvoraf den mest uberørte – kaldet NGC 1277 – blev bekræftet af Hubble Space Telescope i 2018.
NGC 1277 og KiDS J0842+0059 ligner hinanden meget, men sidstnævnte er meget længere væk fra Jorden. Ifølge Spiniello passer den næsten perfekt til definitionen af en fossil galakse.
Det er det, vi kalder et ekstremt levn, fordi næsten alle eller 99,5 % af dens stjerner blev dannet utroligt tidligt i kosmisk tid, og galaksen gjorde absolut ingenting derefter.
Den fossile galakse har stjerner og planeter ligesom vores egen galakse, men den er meget tættere, tilføjede Spiniello.
Der vil være mange flere stjerner på en meget lille plads, så den vil være meget overfyldt. Og det vil være meget sværere at finde solsystemer som vores med mange planeter, der kredser om den, bare på grund af risikoen for at få ledsagende stjerner i nærheden.
KiDS J0842+0059 ser for observatører ud, som den gjorde for 3 milliarder år siden, fordi det er så lang tid, det tager for lyset fra galaksen at nå jorden. Spiniello antog, at relikviet sandsynligvis vil forblive, som det er, for evigt, men forskerne kan ikke være sikre, da de stadig ikke ved, hvad der forhindrer det i at interagere med andre galakser.
“Der må være noget, der forhindrer dem i at smelte sammen, men uden at vide hvad, kan vi ikke rigtig forudsige, hvad der kommer til at ske i fremtiden,” siger Spiniello.
‘En ud af millioner’
Det er meget svært at identificere fossile galakser og bekræfte deres natur, bl.a. fordi de er relativt sjældne og små sammenlignet med almindelige galakser som Mælkevejen, siger Sébastien Comerón, der er ekstragalaktisk astronom ved Universidad de La Laguna og Instituto de Astrofísica de Canarias i Spanien. Bekræftelsen af en fjern reliktgalakse er en anerkendelse af de søgestrategier, der bruges til at identificere disse objekter, og af moderne instrumenter, siger han.
“Reliktgalakser er mystiske,” tilføjede Comerón, som ikke var involveret i undersøgelsen, i en e-mail.
Det faktum, at nogle få galakser i dag er uberørte levn fra de første store galakser, kræver en forklaring.
Astronomerne kan ikke sige med sikkerhed, hvor sjældne relikvierne er, men Spiniello vurderer, at der måske er ‘en ud af millioner’ blandt alle galakserne i universet. INSPIRE-projektet – som har til formål at finde og katalogisere fossile galakser og gav anledning til opdagelsen af KiDS J0842+0059 – har allerede identificeret flere dusin andre kandidater, som er i gang med at blive undersøgt nærmere, siger Spiniello.
Nye instrumenter kan gøre denne søgning endnu mere effektiv. Både Spiniello og Tortora er begejstrede for Euclid, et teleskop fra Den Europæiske Rumorganisation, som lanceres i 2023 med det formål at udforske mørkt stof og mørk energi, og som også vil være nyttigt til at observere fossile galakser.
Euclid vil være transformerende, for i stedet for at observere et enkelt objekt ad gangen, vil dets konfiguration med bred himmelundersøgelse dække meget mere. Ideen er at finde alle galakser i et område på himlen og derefter isolere alle dem, der er ultrakompakte. Og hvis man gør det, kan man faktisk vurdere, hvor sjældne (fossile galakser) de er.
Bekræftelsen af reliktgalaksen KiDS J0842+0059 på så stor afstand er en bemærkelsesværdig bedrift, og fremtiden for dette felt er meget lovende, siger Cappellari i en e-mail.
Med kraftfulde nye teleskoper som James Webb og Euclid (som producerede sine første billeder for blot et par måneder siden) og på jorden med avanceret adaptiv optik kan vi forvente at finde og studere flere af disse relikvier på endnu større afstande.
