Twee miljard jaar na de oerknal, het heelal was nog erg jong. Echter, duizenden enorme sterrenstelsels, rijk aan sterren en stof, waren al gevormd. Een internationale studie, geleid door SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, legt nu uit hoe dit mogelijk was. Wetenschappers combineerden observatie- en theoretische methoden om de fysieke processen achter hun evolutie te identificeren en, Voor de eerste keer, bewijs gevonden voor een snelle groei van stof als gevolg van een hoge concentratie metalen in het verre heelal. De studie, gepubliceerd in Astronomie en astrofysica , biedt een nieuwe benadering om de evolutionaire fase van massieve objecten te onderzoeken.

Sinds hun eerste ontdekking 20 jaar geleden, zeer verre en massieve sterrenstelsels die een enorme hoeveelheid jonge sterren vormen - zogenaamde 'stoffige' (stervormende) sterrenstelsels - vormen een serieuze uitdaging voor astronomen:"Aan de ene kant, ze zijn moeilijk te detecteren omdat ze zich in dichte gebieden van het verre heelal bevinden en stofdeeltjes bevatten die het meeste optische licht absorberen dat wordt uitgestraald door jonge sterren, " legt Darko Donevski uit, postdoctoraal onderzoeker bij SISSA. "Anderzijds, veel van deze stoffige 'reuzen' zijn gevormd toen het heelal nog heel jong was, soms zelfs minder dan 1 miljard jaar oud, en wetenschappers hebben zich afgevraagd hoe zo'n grote hoeveelheid stof zo vroeg in de tijd is geproduceerd."

De studie van deze exotische objecten is nu mogelijk dankzij de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Deze interferometer van 66 telescopen in de Atacama-woestijn in het noorden van Chili kan het infraroodlicht detecteren dat door de stoffige wolken heen dringt, het onthullen van de aanwezigheid van nieuw gevormde sterren. Echter, de oorsprong van grote hoeveelheden stof in de vroege kosmische tijd is nog steeds een open vraag voor astronomen. "Gedurende vele jaren dachten wetenschappers dat de productie van kosmisch stof uitsluitend te wijten was aan de explosie van supernova's. recente theoretische werken suggereren dat stof ook kan groeien door botsingen van koude, metaalrijk gas dat de sterrenstelsels vult, ’, legt de onderzoeker uit.

Een internationaal team van onderzoekers van instellingen in Europa, ONS, Canada en Zuid-Afrika, onder leiding van Donevski, gecombineerde observatie- en theoretische methoden om 300 verre, stoffige sterrenstelsels om de oorsprong van deze 'reuzen' te onthullen. Vooral, ze leidden de fysieke eigenschappen van deze stoffige sterrenstelsels af door hun spectrale energieverdelingen aan te passen. "We hebben een enorme hoeveelheid stofmassa gevonden in de meeste van onze sterrenstelsels. Onze schattingen toonden aan dat supernova-explosies niet voor alles verantwoordelijk konden zijn en dat een deel moest worden geproduceerd door deeltjesbotsingen in de gasvormige metaalrijke omgeving rond massieve sterren, zoals eerder verondersteld door theoretische modellen", zegt Donevski. "Dit is de eerste keer dat waarnemingsgegevens het bestaan ​​van beide productiemechanismen ondersteunen."

Wetenschappers hebben ook gekeken naar de massaverhouding van stof tot ster in de loop van de tijd om te bestuderen hoe efficiënt sterrenstelsels stof creëren en vernietigen tijdens hun evolutie. "Hierdoor konden we de levenscyclus van stof identificeren in twee verschillende populaties van sterrenstelsels:normaal, zogenaamde 'hoofdreeks, " sterrenstelsels, die zich langzaam ontwikkelen, en extremer, snel evoluerende sterrenstelsels, genaamd 'starbursts, '" zei Lara Pantoni, doctoraat student aan SISSA, die het analytische model heeft ontwikkeld dat wordt gebruikt voor gegevensinterpretatie. Het model toont het grote potentieel in het beschrijven van verschillen in deze twee groepen waargenomen sterrenstelsels. "Interessant, we toonden ook aan dat, ongeacht hun afstand, stellaire massa of grootte, compacte 'starburst'-sterrenstelsels hebben altijd een stof-tot-stellaire massaverhouding die hoger is dan de normale sterrenstelsels."

Om de observatiebevindingen volledig te evalueren, het team van astronomen confronteerde hun gegevens ook met de ultramoderne melkwegsimulaties. Ze gebruikten SIMBA, een nieuwe suite die de vorming en evolutie van miljoenen sterrenstelsels simuleert sinds het begin van het heelal tot de huidige tijd, het volgen van al hun fysieke eigenschappen, inclusief stofmassa. "Tot nu toe, theoretische modellen hadden problemen bij het gelijktijdig matchen van zowel melkwegstof als stellaire eigenschappen. Echter, onze nieuwe kosmologische simulatiesuite, simba, zou de meeste van de waargenomen gegevens kunnen reproduceren, " legt Desika Narayanan uit, hoogleraar sterrenkunde aan de Universiteit van Florida en lid van het DAWN-instituut in Kopenhagen.

"Onze studie toont aan dat de stofproductie bij 'reuzen' wordt gedomineerd door een zeer snelle groei van deeltjes door hun botsingen met gas. Dus, het levert het eerste sterke bewijs dat stofvorming plaatsvindt zowel tijdens het afsterven van sterren als in de ruimte tussen deze massieve sterren, zoals verondersteld uit theoretische studies, " concludeert Donevski. "Bovendien, het biedt een nieuwe gemengde benadering om de evolutie van massieve objecten in het verre heelal te onderzoeken die zullen worden getest met toekomstige ruimtetelescopen zoals de James Webb Space Telescope."