Astronomen verwachten dat de eerste sterrenstelsels, degenen die slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal zijn gevormd, zou veel overeenkomsten vertonen met enkele van de dwergstelsels die we tegenwoordig in het nabije heelal zien. Deze vroege agglomeraties van een paar miljard sterren zouden dan de bouwstenen worden van de grotere sterrenstelsels die na de eerste paar miljard jaar het heelal gingen domineren.

Lopende waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), echter, verrassende voorbeelden ontdekt van massieve, met sterren gevulde sterrenstelsels gezien toen de kosmos minder dan een miljard jaar oud was. Dit suggereert dat kleinere galactische bouwstenen vrij snel tot grote sterrenstelsels konden assembleren.

De laatste ALMA-waarnemingen duwen dit tijdperk van de vorming van massieve sterrenstelsels nog verder terug door twee gigantische sterrenstelsels te identificeren die we zagen toen het universum slechts 780 miljoen jaar oud was. of ongeveer 5 procent van de huidige leeftijd. ALMA onthulde ook dat deze ongewoon grote sterrenstelsels zijn genesteld in een nog massievere kosmische structuur, een halo van donkere materie die een paar biljoen keer massiever is dan de zon.

De twee sterrenstelsels bevinden zich zo dicht bij elkaar - minder dan de afstand van de aarde tot het centrum van onze melkweg - dat ze binnenkort zullen versmelten tot het grootste sterrenstelsel dat ooit in die periode in de kosmische geschiedenis is waargenomen. Deze ontdekking levert nieuwe details op over het ontstaan ​​van grote sterrenstelsels en de rol die donkere materie speelt bij het samenstellen van de meest massieve structuren in het universum.

De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Natuur .

"Met deze voortreffelijke ALMA-waarnemingen, astronomen zien het meest massieve sterrenstelsel dat bekend is in de eerste miljard jaar van het universum, terwijl het zichzelf aan het samenstellen is, " zei Dan Marrone, universitair hoofddocent astronomie aan de Universiteit van Arizona in Tucson en hoofdauteur van het papier.

Astronomen zien deze sterrenstelsels tijdens een periode van kosmische geschiedenis die bekend staat als het tijdperk van reïonisatie, toen het grootste deel van de intergalactische ruimte was overgoten met een verduisterende mist van koud waterstofgas. Naarmate er meer sterren en sterrenstelsels werden gevormd, hun energie ioniseerde uiteindelijk de waterstof tussen de sterrenstelsels, het onthullen van het universum zoals we het vandaag zien.

"We zien dat meestal als de tijd van kleine sterrenstelsels die hard werken om het neutrale intergalactische medium weg te kauwen, ", zei Marrone. "Waarnemend bewijs monteren met ALMA, echter, heeft geholpen om dat verhaal opnieuw vorm te geven en blijft de tijd terugdringen waarin echt massieve sterrenstelsels voor het eerst in het universum verschenen."

De sterrenstelsels die Marrone en zijn team bestudeerden, gezamenlijk bekend als SPT0311-58, werden oorspronkelijk geïdentificeerd als een enkele bron door de Zuidpooltelescoop. Deze eerste waarnemingen gaven aan dat dit object erg ver weg was en fel gloeide in infrarood licht, wat betekent dat het extreem stoffig was en waarschijnlijk door een uitbarsting van stervorming ging. Daaropvolgende waarnemingen met ALMA onthulden de afstand en de dubbele aard van het object, duidelijk het paar op elkaar inwerkende sterrenstelsels oplossen.

Om deze opmerking te maken, ALMA had wat hulp van een zwaartekrachtlens, die de telescoop een observatieboost gaven. Zwaartekrachtlenzen worden gevormd wanneer een tussenliggend massief object, zoals een melkwegstelsel of melkwegcluster, buigt het licht van verder weg gelegen sterrenstelsels. Zij doen, echter, het uiterlijk van het bestudeerde object vervormen, geavanceerde computermodellen nodig hebben om het beeld te reconstrueren zoals het er in ongewijzigde staat uit zou zien.

Dit "ontlenen"-proces leverde intrigerende details op over de sterrenstelsels, waaruit blijkt dat de grootste van de twee sterren vormt met een snelheid van 2, 900 zonsmassa's per jaar. Het bevat ook ongeveer 270 miljard keer de massa van onze zon in gas en bijna 3 miljard keer de massa van onze zon in stof. "Dat is een enorme hoeveelheid stof, gezien de jonge leeftijd van het systeem, " merkte Justin Spilker op, een recent afgestudeerde van de Universiteit van Arizona en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Texas in Austin.

De astronomen stelden vast dat de snelle stervorming van dit sterrenstelsel waarschijnlijk werd veroorzaakt door een nauwe ontmoeting met zijn iets kleinere metgezel, die al ongeveer 35 miljard zonsmassa's van sterren herbergt en zijn snelheid van starburst verhoogt in het razend tempo van 540 zonsmassa's per jaar.

De onderzoekers merken op dat sterrenstelsels van dit tijdperk "rommeliger" zijn dan die we in het nabijgelegen universum zien. Hun meer verwarde vormen zouden te wijten zijn aan de enorme hoeveelheden gas die op hen neerregenen en hun voortdurende interacties en fusies met hun buren.

De nieuwe waarnemingen stelden de onderzoekers ook in staat om de aanwezigheid af te leiden van een werkelijk enorme halo van donkere materie die beide sterrenstelsels omringt. Donkere materie zorgt voor de aantrekkingskracht van de zwaartekracht die ervoor zorgt dat het universum instort in structuren (sterrenstelsels, groepen en clusters van sterrenstelsels, enzovoort.).

"Als je wilt zien of een melkwegstelsel logisch is in ons huidige begrip van kosmologie, je wilt kijken naar de halo van donkere materie - de ingestorte structuur van donkere materie - waarin het zich bevindt, " zei Chris Hayward, associate research scientist bij het Center for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute in New York City. "Gelukkig, we weten heel goed de verhouding tussen donkere materie en normale materie in het heelal, zodat we kunnen inschatten wat de halomassa van de donkere materie moet zijn."

Door hun berekeningen te vergelijken met de huidige kosmologische voorspellingen, de onderzoekers ontdekten dat deze halo een van de meest massieve is die op dat moment zou moeten bestaan.

"Er zijn meer sterrenstelsels ontdekt met de Zuidpooltelescoop die we volgen, " zei Joaquin Vieira van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, "en er zijn nog veel meer onderzoeksgegevens die we net beginnen te analyseren. We hopen meer van dit soort objecten te vinden, mogelijk nog verder weg gelegen om deze populatie van extreem stoffige sterrenstelsels beter te begrijpen en vooral hun relatie tot de massale populatie sterrenstelsels in dit tijdperk."

"In elk geval, onze volgende ronde van ALMA-waarnemingen zou ons moeten helpen begrijpen hoe snel deze sterrenstelsels samenkwamen en ons begrip van de vorming van massieve sterrenstelsels tijdens reïonisatie moeten verbeteren, ’ voegde Marron toe.